Højdimensionel kvantekryptering udført i virkelige byforhold for første gang

For første gang, forskere har sendt en kvantesikret besked, der indeholder mere end én bit information pr. foton gennem luften over en by. Demonstrationen viste, at det en dag kunne være praktisk at bruge høj kapacitet, frirumkvantekommunikation for at skabe en meget sikker forbindelse mellem jordbaserede netværk og satellitter, et krav for at skabe et globalt kvantekrypteringsnetværk.

Kvantekryptering bruger fotoner til at kode information i form af kvantebits. I sin enkleste form, kendt som 2D-kryptering, hver foton koder for en bit:enten en et eller et nul. Forskere har vist, at en enkelt foton kan kode endnu mere information - et koncept kendt som højdimensionel kvantekryptering - men indtil nu er dette aldrig blevet demonstreret med optisk kommunikation i frit rum under virkelige forhold. Med otte bit nødvendige for at kode kun ét bogstav, for eksempel, at pakke mere information ind i hver foton ville fremskynde datatransmissionen betydeligt.

"Vores arbejde er det første til at sende beskeder på en sikker måde ved hjælp af højdimensionel kvantekryptering under realistiske byforhold, herunder turbulens, " sagde lederen af ​​forskergruppen, Ebrahim Karimi, Universitetet i Ottawa, Canada. "Det sikre, frirumskommunikationsordning, vi demonstrerede potentielt kunne forbinde Jorden med satellitter, forbinder sikkert steder, hvor det er for dyrt at installere fiber, eller bruges til krypteret kommunikation med et objekt i bevægelse, såsom et fly."

Som beskrevet i detaljer Optica , The Optical Society's journal for high impact research, forskerne demonstrerede 4D kvantekryptering over et optisk netværk med fri plads, der spænder over to bygninger 0,3 kilometer fra hinanden ved University of Ottawa. Dette højdimensionelle krypteringsskema omtales som 4D, fordi hver foton koder for to bits information, som giver de fire muligheder for 01, 10, 00 eller 11.

Ud over at sende flere oplysninger pr. foton, højdimensionel kvantekryptering kan også tolerere mere signalslørende støj, før transmissionen bliver usikker. Støj kan opstå fra turbulent luft, fejlbehæftet elektronik, detektorer, der ikke fungerer korrekt, og fra forsøg på at opsnappe dataene. "Denne højere støjtærskel betyder, at når 2D kvantekryptering mislykkes, du kan prøve at implementere 4D, fordi det, i princippet, er mere sikker og mere støjbestandig, sagde Karimi.

Brug af lys til kryptering

I dag, matematiske algoritmer bruges til at kryptere tekstbeskeder, banktransaktioner og helbredsoplysninger. At opsnappe disse krypterede meddelelser kræver at finde ud af den nøjagtige algoritme, der bruges til at kryptere et givet stykke data, en bedrift, der er svær nu, men som forventes at blive lettere i det næste årti eller deromkring, efterhånden som computere bliver mere kraftfulde.

I betragtning af forventningen om, at nuværende algoritmer muligvis ikke vil fungere så godt i fremtiden, Der lægges mere vægt på stærkere krypteringsteknikker såsom kvantenøgledistribution, som bruger egenskaber af lyspartikler kendt som kvantetilstande til at kode og sende den nødvendige nøgle til at dekryptere kodede data.

Selvom kablet og ledig kvantekryptering er blevet implementeret på nogle små, lokale netværk, at implementere det globalt vil kræve afsendelse af krypterede meddelelser mellem jordbaserede stationer og de satellitbaserede kvantekommunikationsnetværk, der vil forbinde byer og lande. Horisontale test gennem luften kan bruges til at simulere at sende signaler til satellitter, hvor omkring tre vandrette kilometer er nogenlunde lig med at sende signalet gennem Jordens atmosfære til en satellit.

Før du prøver en tre-kilometer test, forskerne ville se, om det overhovedet var muligt at udføre 4D kvantekryptering udenfor. Dette blev anset for at være så udfordrende, at nogle andre videnskabsmænd på området sagde, at eksperimentet ikke ville fungere. Et af de primære problemer, man står over for under ethvert frirumseksperiment, er at håndtere luftturbulens, som forvrænger det optiske signal.

Test i den virkelige verden

Til testene, forskerne bragte deres optiske laboratorieopstillinger til to forskellige tage og dækkede dem med trækasser for at give en vis beskyttelse mod elementerne. Efter mange forsøg og fejl, de sendte med succes beskeder sikret med 4D kvantekryptering over deres intracity-link. Meddelelserne udviste en fejlrate på 11 procent, under den tærskel på 19 procent, der er nødvendig for at opretholde en sikker forbindelse. De sammenlignede også 4D-kryptering med 2D, at finde det, efter fejlretning, de kunne transmittere 1,6 gange mere information pr. foton med 4D kvantekryptering, selv med turbulens.

"Efter at have medbragt udstyr, der normalt ville blive brugt i en rengøring, isoleret laboratoriemiljø til en tagterrasse, der er udsat for elementerne og ikke har nogen vibrationsisolering, det var meget givende at se resultater, der viste, at vi kunne overføre sikre data, " sagde Alicia Sit, en bachelorstuderende i Karimis laboratorium.

Som et næste skridt, forskerne planlægger at implementere deres plan i et netværk, der omfatter tre forbindelser, der er omkring 5,6 kilometer fra hinanden, og som bruger en teknologi kendt som adaptiv optik til at kompensere for turbulensen. Til sidst, de ønsker at knytte dette netværk til et, der findes nu i byen. "Vores langsigtede mål er at implementere et kvantekommunikationsnetværk med flere links, men ved at bruge mere end fire dimensioner, mens vi forsøger at omgå turbulensen, " sagde Sit.