Quantum Key Distribution G652 versus G655-vezels getest in metronetwerken

Stel je een wereld voor waarin je bankrekeningen, medische dossiers en zelfs staatsgeheimen worden beschermd door wiskundige puzzels die in een oogwenk kunnen worden opgelost. De komst van quantum computing heeft deze precaire realiteit gecreëerd, waardoor de huidige encryptiemethoden dreigen te verdwijnen. Quantum Key Distribution (QKD) komt naar voren als een revolutionaire oplossing: een technologie die gebruik maakt van de principes van de kwantummechanica om onvoorwaardelijk veilige cryptografische sleutels te creëren.

De huidige encryptiesystemen zijn afhankelijk van de rekencomplexiteit die kwantumcomputers binnenkort kunnen overwinnen. QKD biedt een fundamenteel andere aanpak: de veiligheid ervan wordt gegarandeerd door de wetten van de natuurkunde in plaats van door wiskundige problemen. Als het eerste kwantumcommunicatieprotocol dat industrialisatie en commercialisering heeft bereikt, heeft QKD aanleiding gegeven tot nationale en internationale initiatieven om het te integreren in de bestaande telecommunicatie-infrastructuur.

Telecommunicatienetwerken maken voornamelijk gebruik van twee soorten single-mode vezels: G.652 en G.655. Beide voldoen aan de ITU-T-normen en ondersteunen transmissie bij golflengten van 1310 nm en 1550 nm, maar hun dispersiekarakteristieken verschillen aanzienlijk:

• G.652-vezelis geoptimaliseerd voor gebruik bij 1310 nm zonder dispersie bij deze golflengte
• G.655-vezelblinkt uit in de 1550 nm-band (C-band: 1530-1660 nm) met lagere dispersiewaarden

De hogere brekingsindex van G.655-vezel zorgt voor een groter numeriek diafragma en een grotere acceptatiehoek, waardoor het ideaal is voor uitdagende omgevingen zoals langeafstands- of onderzeese communicatie. De compatibiliteit met erbium-gedoteerde vezelversterkers (EDFA) maakt het ook de voorkeur voor golflengteverdelingsmultiplexsystemen (WDM).

Ondanks hun wijdverbreide gebruik blijven directe vergelijkingen van G.652- en G.655-vezels voor polarisatie-gecodeerde QKD-toepassingen schaars. Deze studie pakt deze kloof aan door middel van veldproeven die zijn uitgevoerd op grootstedelijke glasvezelnetwerken in de Italiaanse regio Veneto, waarbij de twee vezeltypen onder identieke omstandigheden worden vergeleken.

Bij de tests werd gebruik gemaakt van een glasvezelverbinding van 19 km tussen Treviso en Venetië-Mestre, beheerd door Retelit SpA. De parallelle installatie van beide vezeltypen maakte een gecontroleerde vergelijking van de milieueffecten mogelijk. Belangrijkste kenmerken:

• G.655-vezel:Onderdeel van een 36-aderige kabel met 94% actieve datatransmissie
• G.652-vezel:Onderdeel van een 72-aderige kabel met slechts 8% bezetting

Bij het onderzoek werd gebruik gemaakt van het QuKy-systeem van ThinkQuantum srl, dat het BB84-protocol met polarisatiecodering implementeerde. Tests inbegrepen:

• 24-uurs "dark fiber" werking op beide vezeltypes
• Coëxistentietests met klassieke communicatiesignalen
• Metingen met optische tijddomeinreflectometer (OTDR).

De 24-uurs continue werking leverde significante resultaten op:

• Tarief voor het genereren van sleutels:G.655-vezel vertoonde superieure prestaties
• Kwantumbitfoutpercentage (QBER):Beide vezels handhaafden aanvaardbare niveaus, waarbij G.652 marginaal betere resultaten liet zien
• Klassieke signaalinterferentie:Beheersbaar door goede vermogensregeling en filtering
• Kanaalstabiliteit:Beide vezels bleven tijdens de tests consistent presteren

Het onderzoek bevestigt dat beide glasvezeltypen grootstedelijke QKD-netwerken kunnen ondersteunen, waarbij G.655 voordelen biedt bij het genereren van sleutels, terwijl G.652 iets betere foutprestaties biedt. De succesvolle coëxistentietests tonen de levensvatbaarheid van QKD aan in operationele netwerken die klassiek verkeer vervoeren.

Bijkomende factoren die de QKD-prestaties beïnvloeden zijn onder meer:

• Kenmerken van polarisatiemodusdispersie (PMD).
• Niet-lineaire effecten bij hoge vermogensniveaus
• Omgevingsstress en temperatuurschommelingen
• Nabewerkingsalgoritmen voor belangrijke destillatie

Toekomstig onderzoek zou het volgende moeten onderzoeken:

• QKD-implementaties over langere afstanden
• Verbeterde integratie met klassieke netwerken
• Ontwikkeling van nieuwe QKD-protocollen
• Praktische inzet in de financiële en overheidssector

Deze studie biedt waardevolle inzichten voor netwerkexploitanten die de inzet van QKD plannen, en toont aan dat de bestaande glasvezelinfrastructuur kwantumbeveiligde communicatie van de volgende generatie kan ondersteunen.