Från kreditkortsnummer till bankkontoinformation, vi överför känslig digital information över internet varje dag. Sedan 1990 -talet har fastän, forskare har känt att kvantdatorer hotar att störa säkerheten för dessa transaktioner.

Det beror på att kvantfysiken förutspår att dessa datorer skulle kunna göra vissa beräkningar mycket snabbare än sina konventionella motsvarigheter. Detta skulle låta en kvantdator knäcka ett vanligt internetsäkerhetssystem som kallas public key cryptography.

Detta system låter två datorer upprätta privata anslutningar dolda från potentiella hackare. I offentlig nyckelkryptografi, varje enhet delar ut kopior av sin egen offentliga nyckel, som är en bit av digital information. Alla andra enheter kan använda den offentliga nyckeln för att kryptera ett meddelande och skicka tillbaka det till den första enheten. Den första enheten är den enda som har ytterligare information, dess privata nyckel, som den använder för att dekryptera meddelandet. Två datorer kan använda denna metod för att skapa en säker kanal och skicka information fram och tillbaka.

En kvantdator kan snabbt beräkna en annan enhets privata nyckel och läsa dess meddelanden, sätta varje framtida kommunikation i fara. Men många forskare studerar hur kvantfysik kan slå tillbaka och hjälpa till att skapa säkrare kommunikationslinjer.

En lovande metod är kvantnyckeldistribution, som tillåter två parter att direkt upprätta en säker kanal med en enda hemlig nyckel. Ett sätt att generera nyckeln är att använda par av intrasslade fotoner - ljuspartiklar med en delad kvantförbindelse. Förvecklingen garanterar att ingen annan kan känna till nyckeln, och om någon försöker avlyssna, båda parter kommer att tipsas.

Tobias Huber, en nyligen ankommen JQI Experimental Postdoctoral Fellow, har undersökt hur man på ett tillförlitligt sätt kan generera de intrasslade fotonerna som är nödvändiga för denna säkra kommunikation. Huber är examen från universitetet i Innsbruck i Österrike, där han övervakades av Gregor Weihs. De har ofta samarbetat med JQI Fellow Glenn Solomon, som tillbringade en termin i Innsbruck som Fulbright Scholar. Under de senaste åren har de har studerat en speciell källa av intrasslade fotoner, kallas kvantprickar.

En kvantpunkt är ett litet område i en halvledare, bara nanometer bred, som är inbäddad i en annan halvledare. Denna lilla region beter sig som en artificiell atom. Precis som i en atom, elektroner i en kvantpunkt upptar vissa diskreta energinivåer. Om kvantpunkten absorberar en foton med rätt färg, en elektron kan hoppa till en högre energinivå. När det gör det, den lämnar efter sig en öppen slits vid den lägre energin, som fysiker kallar ett hål. Så småningom, elektronen förfaller till sin ursprungliga energi, avger en foton och fyller i hålet. Den mellanliggande kombinationen av den exciterade elektronen och hålet kallas exciton, och två exciterade elektroner och två hål kallas en biexciton. En biexciton kommer att förfalla i en kaskad, avger ett par fotoner.

Huber, Weihs, Solomon och flera kollegor har utvecklat ett sätt att direkt excitera biexcitoner i kvantpunkter med hjälp av en sekvens av laserpulser. Pulserna gör det möjligt att koda information i paret av utsända fotoner, skapa en förbindelse mellan dem som kallas tid-bin entanglement. Det är den bästa typen av intrassling för att överföra kvantinformation genom optiska fibrer eftersom den inte bryts ned lika lätt som andra typer över långa avstånd. Huber och hans kollegor är de första som direkt producerar tidskrävande intrasslade fotoner från kvantprickar.

I deras senaste arbete, publicerad i Optik Express , de undersökte hur närvaron av materiella ofullkomligheter som omger kvantprickarna påverkar denna förvecklingsgenerering. Brister har sina egna elektronenerginivåer och kan stjäla en elektron från en prick eller donera en elektron för att fylla ett hål. Hur som helst, orenheten hindrar en exciton från att förfalla och avge en foton, minska antalet fotoner som slutligen frigörs. För att bekämpa denna förlust, laget använde en andra laser för att fylla på elektronhalterna hos föroreningarna och visade att detta ökade antalet fotoner som släpptes utan att äventyra intrasslingen mellan dem.

Teamet säger att det nya arbetet är ett steg i rätt riktning för att göra kvantprickar till en livskraftig källa till intrasslade fotoner. Parametrisk nedkonvertering, en konkurrent som använder kristaller för att dela energin för en foton i två, ibland producerar två par intrasslade fotoner istället för en. Detta kan göra det möjligt för en avlyssnare att läsa ett krypterat meddelande utan att detekteras. Frånvaron av denna nackdel gör kvantpunkter en utmärkt kandidat för att producera intrasslade fotoner för kvantnyckeldistribution.

Tillkomsten av kvantdatorer medför nya säkerhetsutmaningar, men verktyg som kvantnyckeldistribution tar dessa utmaningar direkt. Det är möjligt att, en dag, vi kunde inte bara ha kvantdatorer, men kvantsäkra kommunikationslinjer, fri från nyfikna ögon.