量子密码学的新型开源软件比其各部分的总和还要好
真实场景的精确模型对于以有意义的方式将理论和实验研究结合在一起非常重要。然而，创建这些现实的计算机模型是一项非常艰巨的任务。需要大量数据、代码和广泛复杂领域的专业知识来创建有用且全面的软件。量子计算研究所 (IQC) 执行主任、滑铁卢大学物理与天文系教授 Norbert Lütkenhaus 博士与他的研究小组在过去几年中一直致力于开发用于量子密钥分发 (QKD) 研究的精确软件模型。
QKD 是一种加密过程，它利用量子力学的基本原理来交换密钥，然后可用于确保安全通信。
Lütkenhaus 和他的研究小组最近在GitHub上发布了一个模块化的开源软件包，该软件包允许用户模拟真实的 QKD 协议，并使用用户提交的变量来计算真实场景中安全量子密钥的生成率。
“建模和分析 QKD 设置需要多种技能的结合。我们的软件框架允许优化理论、光学建模和安全分析等各个领域的专家将他们的知识汇集在一起，”Lütkenhaus 说道。“开源方法旨在培育一个跨学科社区，所有研究人员都将从中受益。”
在创建实际模型和协议时，团队考虑了编码过程中的各种问题，这些问题带来了不同的挑战，然后将问题从单一的、巨大的编码挑战分解为更小的部分和模块。通过这样做，团队能够依靠其成员的不同专业知识，并引入专业领域的合作者。
“具有现实假设的 QKD 模型需要大量领域的大量信息和知识。特别是如果你想将它们与实验数据或现实模型对接，而我们不一定是这方面的专家，”该软件包的首席开发人员兼 IQC 研究员 John Burniston 说道。
“我们的软件将这项艰巨的任务分解成几个较小的部分，因此它从‘我需要学习一切’的任务变成了‘让我解决这一部分并将其与其他部分结合起来’，这样就没那么艰巨了。”
除了在软件开发过程中融入必要的专业知识外，模块化特性还有利于教学和培训新研究人员和学生。新的本科研究人员可以被引导到一个模块，他们专注于学习和优化整个 QKD 模型中的一个方面或变量。
由于他们的更改可以纳入到整个软件包中，因此学生们能够看到他们小部分的更改如何影响问题的整体范围和 QKD 密钥率的结果。
新软件包完全重写了 2021 年发布的旧版本，现已优化以提升用户体验。有了更多更小的模块块和更多内部检查和平衡以进行验证，软件可以向用户识别输入的值是否真实正确，或者是否可能产生毫无意义的输出。总的来说，这些更新创建了更易于学习和融入研究的软件。
目前，Lütkenhaus 团队正在与多位合作者合作开发该软件包的新模块，并在实验研究实验室中应用他们的 QKD 软件建模。
Lütkenhaus 的研究小组与滑铁卢的不同团队进行了合作：与组合与优化系的 Henry Wolkowicz 博士及其团队进行数值凸优化研究；与 IQC 的 Thomas Jennewein 博士及其团队进行合作，为卫星 QKD 应用建立密钥速率模型。
他们还与其他机构的合作伙伴一起研究各种现实建模问题。利用他们的软件模型，他们已经找到了显著提高实验关键率的方法。
通过将此软件包作为开源软件发布，研究人员希望鼓励 QKD 科学界合作和发展。为了促进这种合作，他们正在计划为来自世界各地的研究人员举办一场培训课程。
详细信息将在项目网站上公布，一旦最终确定。此外，该软件包还旨在缩小差距，并提供理论和数学证明与实验数据和建筑设备之间的联系。
“将软件开发工作与前沿研究相结合很有趣，”伯尼斯顿说。“我们可以将这个新工具提供给每个人，帮助更大的社区，并真正推动研究的发展。”
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