Kvantkryptering med enstaka fotoner är en lovande teknik för att öka säkerheten för kommunikationssystem och datanätverk, men det finns utmaningar att tillämpa metoden över stora avstånd på grund av överföringsförluster. Att använda konventionell optisk förstärkning hjälper inte eftersom detta stör kvantlänken mellan sändare och mottagare, men fysiker i Europa har hittat en lösning - kallad fotonförstärkning - och testat den.
Laget, som inkluderar forskare från University of Geneva och Delft University of Technology, har visat tekniken över ett simulerat avstånd på 50 km, rapporterar sina resultat i journalen Kvantvetenskap och teknik . Verket publiceras som en del av en fokusfråga om temat kvantkryptografi och kvantnätverk.
"I klassisk kommunikation, förstärkare används för att regenerera signalen. Dock, i kvantregimen tillför detta för mycket buller och förstör sammanhanget mellan kvanttillstånden, "förklarade Robert Thew, som är ledare för Quantum Technologies Group vid universitetet i Genève. "I våra experiment, vi övervinner denna begränsning genom att utnyttja ett teleportationsbaserat tillvägagångssätt, som kan ses som en förlustfri kanal. "
I dag, när vi skickar känslig information över internet, vi litar på matematiska uttryck som är svåra att lösa för att skydda våra data från avlyssning. Dock, detta tillvägagångssätt är sårbart för attacker i framtiden eftersom datorer blir mer kapabla att hitta svar på dessa numeriska problem.
För att komma runt problemet, fysiker har haft fullt upp med att utveckla alternativa system för säker nyckelgenerering som inte bygger på matematiska uttryck, men på kvantbeteendet hos enstaka ljuspartiklar - fotoner. Vad mer, inte bara är dessa tekniker omöjliga att knäcka på konventionella sätt, de varnar också för avlyssning. Dessa är så kallade kvantnycklar.
Som forskarna lyfter fram, en av de viktigaste tillämpningarna av härald fotonförstärkning är för så kallad enhetsoberoende kvantnyckeldistribution-ett tillvägagångssätt som syftar till att intyga säkerheten för en anslutning med minimala antaganden om själva systemet och den teknik som utnyttjas.
Kärnan i tillvägagångssättet är den konceptuellt enkla idén att skicka en enda foton på en 50/50 stråldelare för att generera intrassling. Att upprepa processen i följd och övervaka utmatningen från enstaka fotondetektorer ger byggstenarna för att studera kvantkommunikationsprotokoll.
Tar detta ett steg längre, det är möjligt att fördela intrasslingen mellan två platser, generera en unik nyckel för kryptering av dataöverföring.
"Den enda fotonen, eller trasselvägen, schemat vi använder är också nära kopplat till kvantrepetrar när det gäller hur förträngning fördelas i dessa långdistans- och helt kvantnätlösningar, "kommenterade Thew." Vårt nästa steg är att utveckla kompakta och effektivare heralded fotonkällor som lättare kan distribueras, så att vi kan skjuta in den här typen av experiment i verkliga nätverk. "
