Ny kvanteoverførselsprotokol har højere datatransmissionshastighed, robusthed mod interferens

Kvantekryptografi er en af ​​vor tids mest lovende kvanteteknologier:Præcis den samme information genereres på to forskellige steder, og kvantefysikkens love garanterer, at ingen tredjepart kan opsnappe denne information. Dette skaber en kode, som information kan krypteres perfekt med.

Teamet af prof. Marcus Huber fra Atomic Institute of TU Wien udviklede en ny type kvantekryptografiprotokol, som nu er testet i praksis i samarbejde med kinesiske forskningsgrupper:Mens man indtil nu normalt har brugt fotoner, der kan være i to forskellige tilstande, situationen her er mere kompliceret:Otte forskellige veje kan tages af hver af fotonerne. Som teamet nu har kunnet vise, dette gør genereringen af ​​den kvantekryptografiske nøgle hurtigere og også væsentligt mere robust mod interferens. Resultaterne er nu offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Fysiske anmeldelsesbreve .

To stater, to dimensioner

"Der er mange forskellige måder at bruge fotoner til at transmittere information, " siger Marcus Huber. "Ofte, eksperimenter fokuserer på deres fotons polarisering. For eksempel, om de svinger vandret eller lodret - eller om de er i en kvantemekanisk superpositionstilstand, hvor i en vis forstand, de antager begge tilstande samtidigt. Svarende til hvordan du kan beskrive et punkt på et todimensionalt plan med to koordinater, fotonens tilstand kan repræsenteres som et punkt i et todimensionelt rum."

Men en foton kan også bære information uafhængigt af polarisationsretningen. Man kan, for eksempel, bruge informationen om, hvilken sti fotonen bevæger sig på i øjeblikket. Det er præcis, hvad der nu er blevet udnyttet:"En laserstråle genererer fotonpar i en særlig slags krystal. Der er otte forskellige punkter i krystallen, hvor dette kan ske, " forklarer Marcus Huber. Afhængigt af det punkt, hvor fotonparret blev skabt, hver af de to fotoner kan bevæge sig langs otte forskellige stier - eller langs flere stier på samme tid, hvilket også er tilladt ifølge kvanteteoriens love.

Disse to fotoner kan dirigeres til helt forskellige steder og analyseres der. En af de otte muligheder måles, helt tilfældigt - men da de to fotoner er kvantefysisk sammenfiltrede, det samme resultat opnås altid begge steder. Den, der står ved det første måleinstrument, ved, hvad en anden person i øjeblikket registrerer ved det andet måleinstrument - og ingen andre i universet kan få fat på disse oplysninger.

Otte stater, otte dimensioner

"Det faktum, at vi bruger otte mulige veje her, og ikke to forskellige polarisationsretninger, som det normalt er tilfældet, gør en stor forskel, " siger Marcus Huber. "Rummet af mulige kvantetilstande bliver meget større. Fotonen kan ikke længere beskrives ved et punkt i to dimensioner, matematisk eksisterer den nu i otte dimensioner."

Dette har flere fordele:For det første, det gør det muligt at generere mere information:Ved 8307 bits pr. sekund og over 2,5 bit pr. fotonpar, en ny rekord er blevet sat i sammenfiltringsbaseret kvantekryptografinøglegenerering. Og for det andet det kan påvises, at dette gør processen mindre modtagelig for interferens.

"Med alle kvanteteknologier, du er nødt til at håndtere problemet med dekohærens, " siger Marcus Huber. "Intet kvantesystem kan være perfekt afskærmet mod forstyrrelser. Men hvis det kommer i kontakt med forstyrrelser, så kan den meget let miste sine kvanteegenskaber:Kvanteforviklingerne ødelægges. "Højere dimensionelle kvantetilstande, imidlertid, er mindre tilbøjelige til at miste deres sammenfiltring selv i nærvær af forstyrrelser.

I øvrigt, sofistikerede kvantefejlkorrektionsmekanismer kan bruges til at kompensere for indflydelsen fra eksterne forstyrrelser. "I eksperimenterne, ekstra lys blev tændt i laboratoriet for bevidst at forårsage forstyrrelser - og protokollen virkede stadig, " siger Marcus Huber. "Men kun hvis vi faktisk brugte otte forskellige veje. Vi var i stand til at vise, at med en ren todimensionel kodning kan en kryptografisk nøgle ikke længere genereres i dette tilfælde."

I princippet, det burde være muligt at forbedre det nye, hurtigere og mere pålidelig kvantekryptografiprotokol yderligere ved at bruge yderligere frihedsgrader eller et endnu større antal forskellige stier. "Imidlertid, dette øger ikke kun rummet af mulige tilstande, det bliver også stadig sværere på et tidspunkt at læse tilstandene korrekt, " siger Marcus Huber. "Vi ser ud til at have fundet et godt kompromis her, i det mindste inden for rækkevidden af, hvad der i øjeblikket er teknisk muligt."