För första gången, forskare har skickat ett kvantsäkrat meddelande som innehåller mer än en bit information per foton genom luften ovanför en stad. Demonstrationen visade att det en dag kan vara praktiskt att använda hög kapacitet, kvantkommunikation i fritt utrymme för att skapa en mycket säker länk mellan markbaserade nätverk och satelliter, ett krav för att skapa ett globalt kvantkrypteringsnätverk.

Kvantkryptering använder fotoner för att koda information i form av kvantbitar. I sin enklaste form, känd som 2D -kryptering, varje foton kodar en bit:antingen en en eller en nolla. Forskare har visat att en enda foton kan koda ännu mer information-ett koncept som kallas högdimensionell kvantkryptering-men hittills har detta aldrig påvisats med optisk kommunikation i rymden under verkliga förhållanden. Med åtta bitar som behövs för att koda bara en bokstav, till exempel, packa mer information i varje foton skulle betydligt snabbare dataöverföring.

"Vårt arbete är det första som skickar meddelanden på ett säkert sätt med hjälp av högdimensionell kvantkryptering under realistiska stadsförhållanden, inklusive turbulens, "sade forskargruppsledare, Ebrahim Karimi, University of Ottawa, Kanada. "Det säkra, frirumskommunikationsschema som vi visade skulle kunna koppla jorden till satelliter, säkert ansluta platser där det är för dyrt att installera fiber, eller användas för krypterad kommunikation med ett föremål i rörelse, som ett flygplan. "

Som beskrivs i Optica , The Optical Society's journal for high impact research, forskarna visade 4D-kvantkryptering över ett ledigt optiskt nätverk som sträcker sig över två byggnader 0,3 kilometer från varandra vid University of Ottawa. Detta högdimensionella krypteringsschema kallas 4D eftersom varje foton kodar två bitar information, som ger de fyra möjligheterna 01, 10, 00 eller 11.

Förutom att skicka mer information per foton, Högdimensionell kvantkryptering kan också tolerera mer signaldunkande brus innan överföringen blir osäker. Buller kan uppstå från turbulent luft, misslyckad elektronik, detektorer som inte fungerar korrekt och från försök att fånga upp data. "Detta högre brusgräns innebär att när 2D -kvantkryptering misslyckas, du kan försöka implementera 4D eftersom det, i princip, är säkrare och mer bullerbeständig, sa Karimi.

Använda ljus för kryptering

I dag, matematiska algoritmer används för att kryptera textmeddelanden, banktransaktioner och hälsoinformation. Att fånga upp dessa krypterade meddelanden kräver att man räknar ut den exakta algoritmen som används för att kryptera en viss bit data, en bedrift som är svår nu men som förväntas bli lättare under det närmaste decenniet eller så när datorer blir mer kraftfulla.

Med tanke på förväntan att nuvarande algoritmer kanske inte fungerar lika bra i framtiden, mer uppmärksamhet ägnas åt starkare krypteringstekniker som kvantnyckeldistribution, som använder egenskaper hos ljuspartiklar som kallas kvanttillstånd för att koda och skicka nyckeln som behövs för att dekryptera kodad data.

Även om trådbunden och ledig kvantkryptering har använts på några små, lokala nätverk, att implementera det globalt kommer att kräva att krypterade meddelanden skickas mellan markbaserade stationer och de satellitbaserade kvantkommunikationsnätverken som skulle länka samman städer och länder. Horisontella tester genom luften kan användas för att simulera sändning av signaler till satelliter, med ungefär tre horisontella kilometer som ungefär är lika med att skicka signalen genom jordens atmosfär till en satellit.

Innan du testar ett tre kilometer långt test, forskarna ville se om det ens var möjligt att utföra 4D -kvantkryptering utanför. Detta ansågs vara så utmanande att några andra forskare inom området sa att experimentet inte skulle fungera. Ett av de främsta problemen som står inför alla experiment i fritt utrymme är att hantera luftturbulens, som förvränger den optiska signalen.

Verkliga tester

För testerna, forskarna tog med sina laboratorieoptiska inställningar till två olika hustak och täckte dem med trälådor för att ge ett visst skydd mot väder och vind. Efter mycket försök och fel, de skickade framgångsrikt meddelanden säkrade med 4D -kvantkryptering över deras intracity -länk. Meddelandena uppvisade en felprocent på 11 procent, under tröskeln på 19 procent som behövs för att upprätthålla en säker anslutning. De jämförde också 4D -kryptering med 2D, hitta det, efter felkorrigering, de kunde överföra 1,6 gånger mer information per foton med 4D -kvantkryptering, även med turbulens.

"Efter att ha tagit med utrustning som normalt skulle användas i en ren, isolerad laboratoriemiljö till ett tak som utsätts för elementen och inte har någon vibrationsisolering, det var mycket givande att se resultat som visar att vi kunde överföra säker data, "sa Alicia Sit, en doktorand i Karimis laboratorium.

Som ett nästa steg, forskarna planerar att implementera sitt system i ett nätverk som innehåller tre länkar som ligger cirka 5,6 kilometer från varandra och som använder en teknik som kallas adaptiv optik för att kompensera för turbulensen. Så småningom, de vill länka detta nätverk till ett som finns nu i staden. "Vårt långsiktiga mål är att implementera ett kvantkommunikationsnätverk med flera länkar men använda mer än fyra dimensioner samtidigt som vi försöker komma runt turbulensen, "sa Sit.