Enabling techniques for next generation secure underwater optical communications

Abstract

As threats in the maritime domain diversify, securing data transmission becomes critical for underwater wireless networks designed for the surveillance of critical infrastructure and maritime border protection. This has sparked interest in underwater Quantum Key Distribution (QKD). In this study, a fully functional BB84 QKD system is developed as a solution to emerging security need of underwater wireless communication systems. The QKD unit is built on a hybrid computation system consisting of an Field Programmable Gate Array (FPGA) and an on-board computer (OBC) interfaced with optical front-ends. A real-time photon counting module is implemented on FPGA. The transmitter and receiver units are powered with external UPS and all system parameters can be monitored from the connected computers. The system is equipped with a visible laser and an alignment indicator to validate successful manual alignment. Secure key distribution at a rate of 100 qubits per second was successfully tested over a link distance of 7 meters.

Denizcilik alanındaki tehditler çeşitlenmekte, kritik altyapının gözetimi ve deniz sınırı koruması için tasarlanmış su altı kablosuz ağlar için veri iletiminin güvenliğini sağlamak kritik hale gelmektedir. Bu, su altı Kuantum Anahtar Dağıtımına (QKD) olan ilgiyi günden güne arttırmaktadır. Bu tezde, su altı kablosuz haberleşme sistemlerinin artan güvenlik ihtiyacına bir çözüm olarak tamamen işlevsel bir BB84 QKD sistemi önerilmiştir. QKD birimi, bir FPGA'dan ve optik ön yüzlere arayüzlenmiş yerleşik bir bilgisayardan (OBC) oluşan hibrit bir hesaplama sistemi üzerine kuruludur. FPGA tabanlı gerçek zamanlı bir foton sayma modülü tasarlanmıştır. Verici ve alıcı üniteler harici UPS ile beslenmektedir ve tüm sistem parametreleri bağlı bilgisayarlardan izlenebilmektedir. Sistem, başarılı manuel hizalamayı doğrulamak için görünür bir lazer ve bir hizalama göstergesi ile donatılmıştır. Saniyede 100 kübit hızında güvenli anahtar dağıtımı, 7 metrelik bir bağlantı mesafesinde başarıyla test edilmiştir.