Van creditcardnummers tot bankrekeninggegevens, we verzenden elke dag gevoelige digitale informatie via internet. Sinds de jaren 1990, Hoewel, onderzoekers weten dat kwantumcomputers de beveiliging van deze transacties dreigen te verstoren.

Dat komt omdat de kwantumfysica voorspelt dat deze computers sommige berekeningen veel sneller kunnen doen dan hun conventionele tegenhangers. Dit zou een kwantumcomputer in staat stellen een algemeen internetbeveiligingssysteem genaamd public key cryptografie te kraken.

Met dit systeem kunnen twee computers privéverbindingen tot stand brengen die verborgen zijn voor potentiële hackers. Bij cryptografie met openbare sleutels elk apparaat deelt kopieën van zijn eigen openbare sleutel uit, dat is een stukje digitale informatie. Elk ander apparaat kan die openbare sleutel gebruiken om een ​​bericht te vervormen en terug te sturen naar het eerste apparaat. Het eerste apparaat is het enige dat nog een stukje informatie heeft, zijn privésleutel, die het gebruikt om het bericht te decoderen. Twee computers kunnen deze methode gebruiken om een ​​beveiligd kanaal te creëren en informatie heen en weer te sturen.

Een kwantumcomputer kan snel de privésleutel van een ander apparaat berekenen en de berichten lezen, elke toekomstige communicatie in gevaar brengen. Maar veel wetenschappers bestuderen hoe de kwantumfysica kan terugvechten en veiligere communicatielijnen kan helpen creëren.

Een veelbelovende methode is de distributie van kwantumsleutels, waarmee twee partijen direct een veilig kanaal kunnen opzetten met een enkele geheime sleutel. Een manier om de sleutel te genereren is om paren verstrengelde fotonen te gebruiken - lichtdeeltjes met een gedeelde kwantumverbinding. De verstrengeling garandeert dat niemand anders de sleutel kan kennen, en als iemand probeert af te luisteren, beide partijen worden getipt.

Tobias Huber, een recent aangekomen JQI Experimental Postdoctoral Fellow, heeft onderzocht hoe op betrouwbare wijze de verstrengelde fotonen kunnen worden gegenereerd die nodig zijn voor deze veilige communicatie. Huber is afgestudeerd aan de Universiteit van Innsbruck in Oostenrijk, waar hij werd begeleid door Gregor Weihs. Ze hebben vaak samengewerkt met JQI Fellow Glenn Solomon, die een semester in Innsbruck doorbracht als Fulbright Scholar. In de afgelopen paar jaar, ze hebben een bepaalde bron van verstrengelde fotonen bestudeerd, kwantumdots genoemd.

Een kwantumpunt is een klein gebied in een halfgeleider, slechts nanometer breed, die is ingebed in een andere halfgeleider. Dit kleine gebied gedraagt ​​zich als een kunstmatig atoom. Net als in een atoom, elektronen in een kwantumstip bezetten bepaalde discrete energieniveaus. Als de quantum dot een foton van de juiste kleur absorbeert, een elektron kan naar een hoger energieniveau springen. Wanneer het gebeurt, het laat een open gleuf achter bij de lagere energie, die natuurkundigen een gat noemen. Eventueel, het elektron zal vervallen tot zijn oorspronkelijke energie, een foton uitzenden en het gat opvullen. De tussenliggende combinatie van het aangeslagen elektron en het gat wordt een exciton genoemd, en twee aangeslagen elektronen en twee gaten worden een bi-exciton genoemd. Een bi-exciton vervalt in een cascade, een paar fotonen uitzendt.

Huber, Weihs, Solomon en verschillende collega's hebben een manier ontwikkeld om bi-excitonen in kwantumstippen direct op te wekken met behulp van een reeks laserpulsen. De pulsen maken het mogelijk om informatie te coderen in het paar uitgezonden fotonen, het creëren van een verbinding tussen hen die bekend staat als time-bin verstrengeling. Het is het beste type verstrengeling voor het verzenden van kwantuminformatie via optische vezels, omdat het niet zo gemakkelijk degradeert als andere typen over lange afstanden. Huber en zijn collega's zijn de eersten die rechtstreeks verstrengelde fotonen in de tijdbak uit kwantumstippen produceren.

In hun laatste werk, gepubliceerd in Optica Express , ze onderzochten hoe de aanwezigheid van materiële onvolkomenheden rond de kwantumstippen deze verstrengelingsgeneratie beïnvloedt. Onvolkomenheden hebben hun eigen elektronenenergieniveaus en kunnen een elektron van een stip stelen of een elektron doneren om een ​​gat te vullen. Hoe dan ook, de onzuiverheid voorkomt dat een exciton vervalt en een foton uitzendt, het verminderen van het aantal fotonen dat uiteindelijk vrijkomt. Om dit verlies tegen te gaan, het team gebruikte een tweede laser om de elektronenniveaus van de onzuiverheden op te vullen en toonde aan dat dit het aantal vrijgekomen fotonen verhoogde zonder de verstrengeling tussen hen in gevaar te brengen.

Het team zegt dat het nieuwe werk een stap in de goede richting is om van kwantumstippen een levensvatbare bron van verstrengelde fotonen te maken. Parametrische down-conversie, een concurrent die kristallen gebruikt om de energie van één foton in tweeën te splitsen, produceert af en toe twee paar verstrengelde fotonen in plaats van één. Hierdoor kan een afluisteraar een versleuteld bericht lezen zonder te worden gedetecteerd. De afwezigheid van dit nadeel maakt kwantumdots een uitstekende kandidaat voor het produceren van verstrengelde fotonen voor kwantumsleuteldistributie.

De komst van quantum computing brengt nieuwe beveiligingsuitdagingen, maar tools zoals de distributie van kwantumsleutels gaan deze uitdagingen aan. Het is mogelijk dat, op een dag, we zouden niet alleen kwantumcomputers kunnen hebben, maar kwantumveilige communicatielijnen, vrij van nieuwsgierige blikken.