Kvantkryptografi är en av vår tids mest lovande kvanttekniker:Exakt samma information genereras på två olika platser, och kvantfysikens lagar garanterar att ingen tredje part kan fånga upp denna information. Detta skapar en kod med vilken information kan krypteras perfekt.

Teamet av professor Marcus Huber från Atomic Institute of TU Wien utvecklade en ny typ av kvantkrypteringsprotokoll, som nu har testats i praktiken i samarbete med kinesiska forskargrupper:Medan man hittills normalt använt fotoner som kan vara i två olika tillstånd, situationen här är mer komplicerad:Åtta olika vägar kan tas av var och en av fotonerna. Som laget nu har kunnat visa, detta gör genereringen av den kvantkryptografiska nyckeln snabbare och dessutom betydligt mer robust mot störningar. Resultaten har nu publicerats i den vetenskapliga tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Två stater, två dimensioner

"Det finns många olika sätt att använda fotoner för att överföra information, "säger Marcus Huber." Ofta experiment fokuserar på deras fotons polarisering. Till exempel, oavsett om de svänger horisontellt eller vertikalt-eller om de befinner sig i ett kvantmekaniskt superpositionstillstånd där, på sätt och vis, de antar båda staterna samtidigt. Liknar hur du kan beskriva en punkt på ett tvådimensionellt plan med två koordinater, fotonets tillstånd kan representeras som en punkt i ett tvådimensionellt utrymme. "

Men en foton kan också bära information oberoende av polariseringsriktningen. Man kan, till exempel, använda informationen om vilken väg fotonen för närvarande färdas på. Detta är exakt vad som nu har utnyttjats:"En laserstråle genererar fotonpar i en speciell typ av kristall. Det finns åtta olika punkter i kristallen där detta kan hända, "förklarar Marcus Huber. Beroende på vid vilken punkt fotonparet skapades, var och en av de två fotonerna kan röra sig längs åtta olika vägar - eller längs flera vägar samtidigt, vilket också är tillåtet enligt kvantteorins lagar.

Dessa två fotoner kan riktas till helt olika platser och analyseras där. En av de åtta möjligheterna mäts, helt slumpmässigt-men eftersom de två fotonerna är kvantfysiskt intrasslade, samma resultat erhålls alltid på båda ställena. Den som står vid den första mätanordningen vet vad en annan person för närvarande upptäcker vid den andra mätanordningen - och ingen annan i universum kan få tag på denna information.

Åtta stater, åtta dimensioner

"Det faktum att vi använder åtta möjliga vägar här, och inte två olika polarisationsriktningar som vanligtvis är fallet, gör stor skillnad, "säger Marcus Huber." Utrymmet för möjliga kvanttillstånd blir mycket större. Fotonen kan inte längre beskrivas med en punkt i två dimensioner, matematiskt finns det nu i åtta dimensioner. "

Detta har flera fördelar:För det första det gör det möjligt att generera mer information:Vid 8307 bitar per sekund och över 2,5 bitar per fotonpar, ett nytt rekord har fastställts för generering av kvantkrypteringsnycklar. Och för det andra, det kan visas att detta gör processen mindre mottaglig för störningar.

"Med all kvantteknik, du måste hantera problemet med avkänning, "säger Marcus Huber." Inget kvantsystem kan skyddas perfekt från störningar. Men om det kommer i kontakt med störningar, då kan den förlora sina kvantegenskaper mycket lätt:Kvantförviklingarna förstörs. "Högre dimensionella kvanttillstånd, dock, är mindre benägna att förlora sin trassel även i närvaro av störningar.

Dessutom, sofistikerade kvantfelkorrigeringsmekanismer kan användas för att kompensera för påverkan av yttre störningar. "I experimenten, ytterligare ljus tändes i laboratoriet för att medvetet orsaka störningar - och protokollet fungerade fortfarande, "säger Marcus Huber." Men bara om vi faktiskt använde åtta olika vägar. Vi kunde visa att med en bara tvådimensionell kodning kan en kryptografisk nyckel inte längre genereras i det här fallet. "

I princip, det borde vara möjligt att förbättra det nya, snabbare och mer tillförlitligt kvantkrypteringsprotokoll ytterligare genom att använda ytterligare frihetsgrader eller ännu större antal olika vägar. "Dock, detta ökar inte bara utrymmet för möjliga stater, det blir också allt svårare någon gång att läsa ut staterna korrekt, "säger Marcus Huber." Vi verkar ha hittat en bra kompromiss här, åtminstone inom räckvidden för vad som för närvarande är tekniskt möjligt. "