Ny fiberfri enhed forenkler fripladsbaseret kvantnøglefordeling

Forskere har udviklet en enkel og stabil enhed til at generere de kvantetilstande, der er nødvendige for kvantnøglefordeling. Enheden kunne gøre det mere praktisk at udvikle et globalt datanetværk, der bruger denne meget sikre krypteringsmetode til at beskytte alt fra kreditkorttransaktioner til tekster.

Nye krypteringsteknikker er nødvendige, fordi computere, der er kraftige nok til at knække nutidens algoritmebaserede krypteringskoder, sandsynligvis vil være tilgængelige i løbet af det næste årti eller to. I stedet for at stole på matematik, kvantnøglefordeling bruger kvanteegenskaber for lys, såsom polarisering, til at kode og sende en tilfældig nøgle, der er nødvendig for at dekryptere kodede data. Metoden er usædvanlig sikker, fordi enhver tredjepartsindtrængen kan påvises.

I Optical Society (OSA) tidsskrift Optik bogstaver , forskere fra University of Padova i Italien rapporterer, at deres helfiber-enhed kan skifte lysets polarisering mere end 1 milliard gange i sekundet. Enheden er også selvkompenserende, gør den ufølsom over for temperatur og andre miljøændringer.

"Kvantenøgledistribution forventes at have en dyb indvirkning på borgernes privatliv og sikkerhed, "sagde Giuseppe Vallone, der ledede denne forskning inden for QuantumFuture forskergruppen koordineret af medforfatter Paolo Villoresi. "Vores ordning forenkler kvantnøgledistribution til frirumskommunikation-f.eks. Fra satellitter til Jorden eller mellem bevægelige terminaler-som er nødvendig for at opnå et globalt kvantenetværk."

Udvikling af et globalt netværk

Fordi kvantekryptering ikke fungerer godt over langdistancefibernetværk, er der nu et skub til at udvikle et satellitbaseret kvantekommunikationsnetværk til at forbinde forskellige jordbaserede kvantekrypteringsnet rundt om i verden.

Selvom forskellige lysegenskaber kan bruges til at oprette kvantetilstande til kvantekryptering, polarisering er særligt velegnet til led i ledige rum, fordi det ikke forstyrres af atmosfæren, og dekodningen ved modtageren kan udføres uden den udfordrende opgave at kanalisere dataene til single mode fiber.

"Vores mål er at udvikle et kvantekrypteringsskema til brug mellem en satellit og jorden, hvor nøglerne genereres i kredsløb, "sagde Vallone." Dog, nutidens polariseringskodere er ikke ideelle til brug i rummet, fordi de er ustabile, dyrt og komplekst. De kan endda udvise sidekanaler, der underminerer protokollens sikkerhed. "

Hurtig og stabil polariseringskodning

Den nye polariseringskoder-som forskerne kalder POGNAC for POlarization SaGNAC-kan hurtigt rotere polariseringen af ​​indgående laserlys takket være et fiber-loop Sagnac-interferometer. Denne opsætning opdeler lyset i to stråler, hvis polarisering er vinkelret i forhold til hinanden. Bjælkerne bevæger sig derefter gennem fiberløkken i retning med og mod uret. De nuværende komponenter kunne passe ind i en pakke, der måler 15 X 5 x 5 centimeter, med yderligere miniaturisering mulig, hvis mindre komponenter blev inkorporeret.

Inde i fiberløkken, forskerne brugte en kommercielt tilgængelig elektrooptisk modulator til at ændre polarisationen for at skabe de kvantetilstande, der er nødvendige for kvantnøglefordeling. Fordi komponenterne med uret og mod uret ankommer til modulatoren på forskellige tidspunkter, de kan hver især moduleres uafhængigt.

Modulatorer bruger en påført spænding til at ændre den optiske fase. Imidlertid, den absolutte værdi af faseskiftet afhænger af mange parametre, der ændres med tiden. "I POGNAC, kun det relative skift mellem de to polariseringskomponenter er relevant-dette relative faseskift svarer til en ændring i udgangspolarisationen-mens forskydninger, der opstår som følge af temperaturændringer og andre faktorer, er selvkorrigerede, "sagde Vallone." Dette gør POGNAC meget stabil og eliminerer polarisationsdrev, der har påvirket andre enheder. "

Forskerne testede deres nye enhed ved at måle polarisationen af ​​kvantetilstande genereret af POGNAC og sammenligne dem med de forventede værdier. De målte en iboende kvantebitfejlrate (QBER) så lav som 0,2 %, et godt stykke under de 1-2 procent QBER for typiske kvantenøgledistributionssystemer.

"Vores resultater viser, at data kan kodes ved hjælp af polarisering af lys på en enkel og effektiv måde, "sagde Vallone." Vi var i stand til dette kun ved hjælp af kommercielt tilgængelige komponenter. "

Forskerne fortsætter med at forbedre deres tilgang og planlægger at udføre yderligere tests for at se, hvordan POGNAC klarer sig, når de koder for kvantnøgler til kryptering.