Onderzoekers hebben een eenvoudig en stabiel apparaat ontwikkeld om de kwantumtoestanden te genereren die nodig zijn voor de distributie van kwantumsleutels. Het apparaat zou het praktischer kunnen maken om een ​​wereldwijd datanetwerk te ontwikkelen dat deze zeer veilige coderingsmethode gebruikt om alles te beschermen, van creditcardtransacties tot sms'jes.

Er zijn nieuwe versleutelingstechnieken nodig omdat computers die krachtig genoeg zijn om de huidige op algoritmen gebaseerde versleutelingscodes te kraken, waarschijnlijk in de komende tien jaar beschikbaar zullen zijn. In plaats van te vertrouwen op wiskunde, kwantumsleuteldistributie maakt gebruik van kwantumeigenschappen van licht, zoals polarisatie, om een ​​willekeurige sleutel te coderen en te verzenden die nodig is om gecodeerde gegevens te decoderen. De methode is uitzonderlijk veilig omdat elke inbraak van derden detecteerbaar is.

In het tijdschrift Optical Society (OSA) Optica Letters , onderzoekers van de Universiteit van Padova in Italië melden dat hun volledig vezelige apparaat de polarisatie van licht meer dan 1 miljard keer per seconde kan veranderen. Het apparaat is ook zelfcompenserend, waardoor het ongevoelig is voor temperatuur en andere omgevingsveranderingen.

"De distributie van kwantitatieve sleutels zal naar verwachting een grote impact hebben op de privacy en veiligheid van burgers, " zei Giuseppe Vallone, die dit onderzoek leidde binnen de QuantumFuture onderzoeksgroep gecoördineerd door co-auteur Paolo Villoresi. "Ons schema vereenvoudigt de distributie van kwantumsleutels voor communicatie in de vrije ruimte, zoals van satellieten naar de aarde of tussen bewegende terminals, wat nodig is om een ​​wereldwijd kwantumnetwerk te realiseren."

Een wereldwijd netwerk ontwikkelen

Omdat kwantumversleuteling niet goed werkt via glasvezelnetwerken over lange afstand, is er nu een streven om een ​​op satellieten gebaseerd kwantumcommunicatienetwerk te ontwikkelen om verschillende op de grond gebaseerde kwantumversleutelingsnetwerken over de hele wereld te verbinden.

Hoewel verschillende eigenschappen van licht kunnen worden gebruikt om kwantumtoestanden te creëren voor kwantumversleuteling, polarisatie is bijzonder goed geschikt voor verbindingen in de vrije ruimte omdat het niet wordt verstoord door de atmosfeer en de decodering bij de ontvanger kan worden uitgevoerd zonder de uitdagende taak om de gegevens naar single-mode-vezel te leiden.

"Ons doel is om een ​​kwantumcoderingsschema te ontwikkelen voor gebruik tussen een satelliet en de grond, waar de sleutels in een baan om de aarde worden gegenereerd, "zei Vallone. "Echter, de huidige polarisatie-encoders zijn niet ideaal voor gebruik in de ruimte omdat ze onstabiel zijn, duur en ingewikkeld. Ze kunnen zelfs zijkanalen vertonen die de beveiliging van het protocol ondermijnen."

Snelle en stabiele polarisatiecodering

De nieuwe polarisatie-encoder - die de onderzoekers POGNAC voor POlarization SaGNAC noemen - kan de polarisatie van inkomend laserlicht snel roteren dankzij een Sagnac-interferometer met glasvezellus. Deze opstelling splitst het licht in twee bundels waarvan de polarisaties haaks op elkaar staan. De bundels gaan vervolgens met de klok mee en tegen de klok in door de vezellus. De huidige componenten zouden passen in een pakket van 15 x 5 x 5 centimeter, met verdere miniaturisatie mogelijk als kleinere componenten werden opgenomen.

Binnen de vezellus, de onderzoekers gebruikten een in de handel verkrijgbare elektro-optische modulator om de polarisatie te veranderen om de kwantumtoestanden te creëren die nodig zijn voor de distributie van kwantumsleutels. Omdat de componenten met de klok mee en tegen de klok in op verschillende tijdstippen bij de modulator aankomen, ze kunnen elk afzonderlijk worden gemoduleerd.

Modulators gebruiken een aangelegde spanning om de optische fase te veranderen. Echter, de absolute waarde van de faseverschuiving hangt af van veel parameters die met de tijd veranderen. "In de POGNAC, alleen de relatieve verschuiving tussen de twee polarisatiecomponenten is relevant - deze relatieve faseverschuiving komt overeen met een verandering in uitgangspolarisatie - terwijl verschuivingen die voortvloeien uit temperatuurveranderingen en andere factoren zelfgecorrigeerd zijn, "zei Vallone. "Dit maakt de POGNAC zeer stabiel en elimineert polarisatieafwijkingen die andere apparaten hebben beïnvloed."

De onderzoekers testten hun nieuwe apparaat door de polarisatie van kwantumtoestanden gegenereerd door de POGNAC te meten en deze te vergelijken met de verwachte waarden. Ze maten een intrinsieke quantum bit error rate (QBER) van slechts 0,2%, ruim onder de 1-2 procent QBER van typische distributiesystemen voor kwantumsleutels.

"Onze resultaten laten zien dat gegevens op een eenvoudige en efficiënte manier kunnen worden gecodeerd met behulp van de polarisatie van licht, "zei Vallone. "We waren in staat om dit te bereiken met alleen in de handel verkrijgbare componenten."

De onderzoekers blijven hun aanpak verbeteren en zijn van plan verdere tests uit te voeren om te zien hoe de POGNAC presteert bij het coderen van kwantumsleutels voor codering.