Forskare vid University of Sheffield har löst ett nyckelpussel inom kvantfysik som kan bidra till att göra dataöverföringen helt säker.

Teamet har utvecklat ett sätt att generera mycket snabba enfotonljuspulser. Varje foton, eller partikel av ljus, representerar lite binär kod – det grundläggande språket för datoranvändning. Dessa fotoner kan inte fångas upp utan att störa dem på ett sätt som skulle varna avsändaren om att något var fel.

Att överföra data med ljus som passerar längs fiberoptiska kablar har blivit allt vanligare under de senaste decennierna, men varje puls innehåller för närvarande miljontals fotoner. Det betyder att, i princip, en del av dessa kunde fångas upp utan upptäckt.

Säker data är redan krypterad, men om en "avlyssnare" kunde fånga upp signalerna som innehåller detaljer om koden så kunde de – i teorin – komma åt och avkoda resten av meddelandet.

Enstaka fotonpulser ger total säkerhet, eftersom all avlyssning omedelbart upptäcks, men forskare har kämpat för att producera dem tillräckligt snabbt för att överföra data med tillräckliga hastigheter för att överföra stora datamängder.

I en ny studie, publiceras i Naturens nanoteknik , Sheffield-teamet har använt ett fenomen som kallas Purcell Effect för att producera fotoner mycket snabbt. En nanokristall som kallas en kvantpunkt är placerad inuti ett hålrum i en större kristall - halvledarchipset. Punkten bombarderas sedan med ljus från en laser som gör att den absorberar energi. Denna energi sänds sedan ut i form av en foton.

Att placera nanokristallen i ett mycket litet hålrum gör att laserljuset studsar runt innanför väggarna. Detta påskyndar fotonproduktionen av Purcell-effekten. Ett problem är att fotoner som bär datainformation lätt kan förväxlas med laserljus. Sheffield-forskarna har övervunnit detta genom att leda fotonerna bort från kaviteten och inuti chippet för att separera de två olika typerna av pulser.

På det här sättet, teamet har lyckats göra fotonemissionshastigheten cirka 50 gånger snabbare än vad som skulle vara möjligt utan att använda Purcell-effekten. Även om detta inte är den snabbaste fotonljuspulsen som har utvecklats, det har en avgörande fördel eftersom alla fotoner som produceras är identiska – en väsentlig egenskap för många kvantberäkningstillämpningar.

Mark Fox, Professor i optisk fysik vid University of Sheffield, förklarar:"Att använda fotoner för att överföra data gör det möjligt för oss att använda fysikens grundläggande lagar för att garantera säkerhet. Det är omöjligt att mäta eller "läsa" partikeln på något sätt utan att ändra dess egenskaper. Att interferera med den skulle därför förstöra data och låta en larm."

Han tillade:"Vår metod löser också ett problem som har förbryllat forskare i cirka 20 år - hur man använder denna Purcell-effekt för att påskynda fotonproduktionen på ett effektivt sätt.

"Denna teknik kan användas inom säkra fiberoptiska telekomsystem, även om det till en början skulle vara mest användbart i miljöer där säkerheten är av största vikt, inklusive regeringar och nationella säkerhetshögkvarter."