Forskare har utvecklat en enkel och stabil enhet för att generera de kvanttillstånd som är nödvändiga för kvantnyckeldistribution. Enheten kan göra det mer praktiskt att utveckla ett globalt datanätverk som använder denna mycket säkra krypteringsmetod för att skydda allt från kreditkortstransaktioner till texter.

Nya krypteringstekniker behövs eftersom datorer som är tillräckligt kraftfulla för att knäcka dagens algoritmbaserade krypteringskoder sannolikt kommer att finnas tillgängliga under det närmaste decenniet eller två. Istället för att förlita sig på matematik, kvantnyckeldistribution använder ljusets kvantegenskaper som polarisering för att koda och skicka en slumpmässig nyckel som behövs för att dekryptera kodade data. Metoden är exceptionellt säker eftersom intrång från tredje part kan detekteras.

I tidskriften Optical Society (OSA) Optikbokstäver , forskare från universitetet i Padova i Italien rapporterar att deras fiberfiberanordning kan växla polarisering av ljus mer än 1 miljard gånger per sekund. Enheten är också självkompenserande, vilket gör det okänsligt för temperatur och andra miljöförändringar.

"Kvantnyckeldistribution förväntas få en djup inverkan på medborgarnas integritet och säkerhet, "sa Giuseppe Vallone, som ledde denna forskning inom QuantumFuture-forskargruppen som samordnades av medförfattaren Paolo Villoresi. "Vårt system förenklar kvantnyckeldistribution för kommunikation i frirummet-till exempel från satelliter till jorden eller mellan rörliga terminaler-som krävs för att uppnå ett globalt kvantnätverk."

Utveckla ett globalt nätverk

Eftersom kvantkryptering inte fungerar bra över långdistansfibernät finns det nu en satsning på att utveckla ett satellitbaserat kvantkommunikationsnätverk för att länka olika markbaserade kvantkrypteringsnät runt om i världen.

Även om olika ljusegenskaper kan användas för att skapa kvanttillstånd för kvantkryptering, Polarisering är särskilt väl lämpad för lediga utrymmen, eftersom den inte störs av atmosfären och avkodningen vid mottagaren kan utföras utan den utmanande uppgiften att överföra data till enfiber.

"Vårt mål är att utveckla ett kvantkrypteringsschema för användning mellan en satellit och marken, där nycklarna genereras i omloppsbana, "sa Vallone." Men dagens polariseringskodare är inte idealiska för användning i rymden eftersom de är instabila, dyrt och komplext. De kan till och med visa sidokanaler som undergräver protokollets säkerhet. "

Snabb och stabil polariseringskodning

Den nya polariseringskodaren-som forskarna kallar POGNAC för POlarization SaGNAC-kan snabbt rotera polarisationen av inkommande laserljus tack vare en fiber-loop Sagnac-interferometer. Denna inställning delar ljuset i två strålar vars polariseringar är i rät vinkel i förhållande till varandra. Strålarna rör sig sedan genom fiberöglan i medurs och moturs riktning. De nuvarande komponenterna kan passa in i ett paket som mäter 15 X 5 x 5 centimeter, med ytterligare miniatyrisering möjlig om mindre komponenter införlivades.

Inuti fiberöglan, forskarna använde en kommersiellt tillgänglig elektrooptisk modulator för att ändra polarisationen för att skapa de kvanttillstånd som är nödvändiga för kvantnyckeldistribution. Eftersom komponenterna medurs och moturs anländer till modulatorn vid olika tidpunkter, de kan var och en moduleras oberoende.

Modulatorer använder en applicerad spänning för att ändra den optiska fasen. Dock, fasvärdets absoluta värde beror på många parametrar som ändras med tiden. "I POGNAC, bara det relativa skiftet mellan de två polariseringskomponenterna är relevant-detta relativa fasskift motsvarar en förändring i utpolarisationen-medan skift som uppstår från temperaturförändringar och andra faktorer är självkorrigerade, "sa Vallone." Detta gör POGNAC mycket stabil och eliminerar polarisationsdriftar som har påverkat andra enheter. "

Forskarna testade sin nya enhet genom att mäta polarisationen av kvanttillstånd som genereras av POGNAC och jämföra dem med de förväntade värdena. De mätte en inneboende kvantbitfelhastighet (QBER) så låg som 0,2 %, långt under 1-2 procent QBER för typiska kvantnyckeldistributionssystem.

"Våra resultat visar att data kan kodas med polarisering av ljus på ett enkelt och effektivt sätt, "sa Vallone." Vi kunde åstadkomma detta med endast kommersiellt tillgängliga komponenter. "

Forskarna fortsätter att förbättra sitt tillvägagångssätt och planerar att utföra ytterligare tester för att se hur POGNAC presterar när de kodar kvantnycklar för kryptering.