Kunstige atomer kaster lys over fremtidens sikkerhed

Fra kreditkortnumre til bankkontooplysninger, vi sender følsomme digitale oplysninger over internettet hver dag. Siden 1990'erne har selvom, forskere har vidst, at kvantecomputere truer med at forstyrre sikkerheden ved disse transaktioner.

Det er fordi kvantefysikken forudsiger, at disse computere kunne foretage nogle beregninger langt hurtigere end deres konventionelle modstykker. Dette ville lade en kvantecomputer knække et fælles internetsikkerhedssystem, der kaldes public key cryptography.

Dette system lader to computere etablere private forbindelser skjult for potentielle hackere. I offentlig nøglekryptografi, hver enhed uddeler kopier af sin egen offentlige nøgle, som er et stykke digital information. Enhver anden enhed kan bruge den offentlige nøgle til at kryptere en besked og sende den tilbage til den første enhed. Den første enhed er den eneste, der har et andet stykke information, sin private nøgle, som den bruger til at dekryptere meddelelsen. To computere kan bruge denne metode til at oprette en sikker kanal og sende oplysninger frem og tilbage.

En kvantecomputer kunne hurtigt beregne en anden enheds private nøgle og læse dens meddelelser, sætte enhver fremtidig kommunikation i fare. Men mange forskere studerer, hvordan kvantefysik kan kæmpe tilbage og hjælpe med at skabe sikrere kommunikationslinjer.

En lovende metode er kvantnøglefordeling, som giver to parter mulighed for direkte at etablere en sikker kanal med en enkelt hemmelig nøgle. En måde at generere nøglen på er at bruge par af sammenfiltrede fotoner - lyspartikler med en delt kvanteforbindelse. Indviklingen garanterer, at ingen andre kan kende nøglen, og hvis nogen prøver at aflytte, begge parter bliver tippet.

Tobias Huber, en nyligt ankommet JQI eksperimentel postdoktor, har undersøgt, hvordan man pålideligt kan generere de sammenfiltrede fotoner, der er nødvendige for denne sikre kommunikation. Huber er uddannet fra University of Innsbruck i Østrig, hvor han blev overvåget af Gregor Weihs. De har ofte samarbejdet med JQI Fellow Glenn Solomon, der tilbragte et semester på Innsbruck som Fulbright Scholar. I løbet af de sidste par år har de har studeret en bestemt kilde til sammenfiltrede fotoner, kaldes kvanteprikker.

En kvantepunkt er et lille område i en halvleder, bare nanometer bredt, der er indlejret i en anden halvleder. Denne lille region opfører sig som et kunstigt atom. Ligesom i et atom, elektroner i en kvantepunkt optager visse diskrete energiniveauer. Hvis kvantepunktet absorberer en foton i den rigtige farve, en elektron kan springe til et højere energiniveau. Når det gør, den efterlader en åben slids ved den lavere energi, som fysikere kalder et hul. Til sidst, elektronen vil henfalde til sin oprindelige energi, udsender en foton og udfylder hullet. Den mellemliggende kombination af den ophidsede elektron og hullet kaldes en exciton, og to ophidsede elektroner og to huller kaldes en biexciton. En biexciton vil forfalde i en kaskade, udsender et par fotoner.

Huber, Weihs, Solomon og flere kolleger har udviklet en måde til direkte at ophidse biexcitoner i kvantepunkter ved hjælp af en sekvens af laserpulser. Impulserne gør det muligt at kode information i paret udsendte fotoner, at skabe en forbindelse mellem dem kendt som time-bin entanglement. Det er den bedste form for sammenfiltring til overførsel af kvanteinformation via optiske fibre, fordi den ikke nedbrydes lige så let som andre typer over lange afstande. Huber og hans kolleger er de første til direkte at producere tidsindviklede sammenfiltrede fotoner fra kvantepunkter.

I deres seneste arbejde, udgivet i Optik Express , de undersøgte, hvordan tilstedeværelsen af ​​materielle ufuldkommenheder omkring kvantepunkter påvirker denne sammenfiltringsgeneration. Ufuldkommenheder har deres eget elektronenerginiveau og kan stjæle en elektron fra en prik eller donere en elektron for at fylde et hul. På den ene eller anden måde, urenheden forhindrer en exciton i at forfalde og udsende en foton, reducere antallet af fotoner, der i sidste ende frigives. For at bekæmpe dette tab, teamet brugte en anden laser til at fylde urenhedernes elektronniveauer op og viste, at dette øgede antallet af frigivne fotoner uden at gå på kompromis med sammenfiltringen mellem dem.

Teamet siger, at det nye arbejde er et skridt i den rigtige retning for at gøre kvantepunkter til en levedygtig kilde til sammenfiltrede fotoner. Parametrisk nedkonvertering, en konkurrent, der bruger krystaller til at dele energien fra en foton i to, lejlighedsvis producerer to par sammenfiltrede fotoner i stedet for en. Dette kan gøre det muligt for en aflytter at læse en krypteret besked uden at blive registreret. Fraværet af denne ulempe gør kvantepunkter til en glimrende kandidat til fremstilling af sammenfiltrede fotoner til kvantnøglefordeling.

Fremkomsten af ​​quantum computing bringer nye sikkerhedsudfordringer, men værktøjer som kvantnøglefordeling tager disse udfordringer på hovedet. Det er muligt, en dag, vi kunne ikke kun have kvantecomputere, men kvantesikre kommunikationslinjer, fri for nysgerrige øjne.