Tehostaa salaustekniikkaa kubitit kuditeiksi

Kvanttimekaniikan periaatteiden hyödyntäminen viestien turvallisessa välittämisessä on luvannut salauksen vallankumouksen, joka pitää arkaluonteisen informaation turvassa.

Nyt yhteistyössä tutkijoiden ryhmä, mukaan lukien Penn Engineering and Applied Sciencen korkeakoulun Liang Feng ja Ph.D. ehdokas Yichi Zhang, on kehittänyt järjestelmän, joka mahdollistaa vakaamman, kestävämmän, tehokkaamman ja pitkän kantaman kvanttiviestinnän, mikä tasoittaa tietä käytännöllisille, korkeadimensionaalisille kvanttiverkoille.

Perinteisten kaksiulotteisten kubittien sijasta, jotka koodaavat kvantti-informaatiota kaksitasoisessa järjestelmässä, kehitetty mikrolaser käyttää korkeampiulotteista vaihtoehtoa eli kuditteja, mikä laajentaa huomattavasti kvanttiviestinnän kapasiteettia ja joustavuutta.

Yichi Zhang selittää, että heidän kvanttiavaimen jakelulaite (QKD) tuottaa fotonisia spin-orbit kuditteja, mikä viittaa tapaan koodata informaatiota valossa manipuloimalla sekä sen muotoa (kiertoradan kulmamomentti) että polarisaatiota. Siten ryhmän järjestelmä mahdollistaa monimutkaisemman, korkeadimensionaalisen koodauksen.

Avaintekijä tiimin läpimurron takana oli ei-hermiittisen fysiikan käyttö. Toisin kuin perinteiset hermiittiset järjestelmät, joissa energia ja informaatio käyttäytyvät säännöllisesti ja jäykästi – täysin tasapainoisen asteikon tavoin – ei-hermiittiset järjestelmät tuovat käyttöön uusia ohjauksen asteita, mikä mahdollistaa energianvaihdon dynaamisen ja kätevän hienosäädön.

Tämä joustavuus mahdollistaa suuriulotteisten spin-orbit kudit-tilojen reaaliaikaisen generoinnin ja manipuloinnin äärimmäisen kompaktilla mikrolaserilla. Tämän seurauksena emittoitua valoa – kudit-kantoaaltoa – voidaan ohjata tarkasti, mikä varmistaa vakaan kvanttiavaimen lähetyksen tehokkaammin.

"Suunnittelimme mikrolaserin, joka voi lähettää neljä erillistä kvanttitilaa täydellisellä tilallisella ja ajallisella yhtenäisyydellä", Feng selittää. "Tämä tarkoittaa, että meidän ei tarvitse huolehtia heikentävistä vaikutuksista - eli valon synkronisuuden menetyksestä tai signaalin katoamisesta ympäristön vaihteluiden johdosta."

Ryhmän kokeet osoittivat, että heidän järjestelmänsä pystyi luotettavasti lähettämään kvanttiavaimet simuloiduissa pitkän matkan olosuhteissa säilyttäen signaalin eheyden etäisyyksillä, jotka vastaavat yli 100 kilometriä ilmakehän lähetyksessä.

Tutkijat käsittelevät myös QKD:n suurta heikkoutta, joka tunnetaan monifotonipulssien etenemisenä heikossa koherentissa tilassa eli hienostuneena salakuunteluna.

"Täydellisessä QKD-järjestelmässä jokainen lähetetty pulssi sisältää vain yhden fotonin, mikä varmistaa, että vain aiottu vastaanottaja voi vastaanottaa sen", Feng selittää. "Mutta käytännön toteutuksissa laserpohjaiset järjestelmät tuottavat joskus monifotonipulsseja, mikä tarkoittaa, että signaalipulssia kohden lähetetään enemmän kuin yksi fotoni."

Tämä mahdollistaa salakuuntelijan siepata jonkin fotonin pulssista, mitata sen ja lähettää jäljellä olevat fotonit eteenpäin häiriöttömästi - käytännössä kopioiden pulssin tulematta havaituksi.

Tämän estämiseksi ryhmä otti käyttöön houkuttimen, joka tuo satunnaisia vaihteluita pulssin intensiteettiin, joten jotkut pulssit sisältävät odotetun määrän fotoneja, kun taas toiset ovat tarkoituksella heikompia tai vain tyhjiä.

"Muutamalla satunnaisesti lähetettyjen pulssien intensiteettiä voimme huijata salakuuntelijan paljastamaan itsensä", Zhang selittää. "Jos joku yrittää mitata kvanttiavaimia, hän ei pysty erottamaan aidon signaalin ja houkuttimen välillä, ja voimme havaita heidän aiheuttamat häiriöt."

Aiheesta aiemmin:

Uusia menetelmiä turvalliseen kvanttitiedonsiirtoon

Salakuuntelu vaikeutuu tai sitten ei

Kuditit antavat välähdyksen kvanttitulevaisuudesta