In een belangrijke stap in de richting van praktische implementatie van veilige op kwantum gebaseerde communicatie, onderzoekers hebben veilige overdracht van meetapparaat-onafhankelijke quantum key distribution (MDI-QKD) aangetoond over een record van 170 kilometer.

QKD kan ondoordringbare codering bieden door de kwantumeigenschappen van licht te gebruiken om veilige willekeurige sleutels tussen gebruikers te genereren voor het coderen en decoderen van online gegevens. Het meetapparaatonafhankelijke QKD-protocol is een van de veiligste en meest praktische omdat het immuun is voor aanvallen op de detectieapparaten die de kwantumeigenschappen van individuele fotonen meten.

Qin Wang van de Nanjing University of Posts and Telecommunications zal de proof-of-principle-demonstratie bespreken op de inaugurele OSA Quantum 2.0-conferentie die zal plaatsvinden als een volledig virtueel evenement met OSA Frontiers in Optics en Laser Science APS/DLS (FiO + LS) conferentie 14-17 september.

"We onderzoeken het drie-staten MDI-QKD-protocol met niet-gekarakteriseerde bronnen en voeren een experimentele demonstratie uit, waar het onvolmaakte staatsvoorbereiding mogelijk maakt en de enige veronderstelling is dat de voorbereide toestanden zich in een tweedimensionale Hilbertruimte bevinden, "zei Wang. "Dit werk verbetert zowel de veiligheid als de uitvoerbaarheid van QKD onder de huidige technologie aanzienlijk."

Verbetering van de veiligheid over lange afstanden

Hoewel QKD over relatief lange afstanden is aangetoond, het was moeilijk om dit te bereiken met hoge transmissiesnelheden met behoud van veiligheid. Om deze uitdaging te overwinnen, Wang ontwikkelde een nieuw MDI-QKD-transmissieprotocol dat fotonen met drie gekarakteriseerde kwantumtoestanden gebruikt om gegevens te coderen.

Het standaard MDI-QKD-protocol is bestand tegen alle mogelijke detectiegaten; helaas, het veronderstelt nog steeds een perfecte staatsvoorbereiding die in de praktijk een grote uitdaging kan zijn. Om te beschermen tegen onvolkomenheden bij de voorbereiding van de staat, enkele tegenmaatregelen zijn voorgesteld. Yin et al. stelde een methode voor genaamd MDI-QKD met niet-gekarakteriseerde bronnen door niet-overeenkomende basisgegevens op te nemen die normaal worden weggegooid bij de berekening van het fasefoutpercentage. Gebaseerd op Yin en andermans werk, het onderzoeksteam ontwikkelde een praktisch schema, waarbij niet alleen een verbeterde faseschattingsmethode, maar er is ook een eenvoudig driestatenschema geïmplementeerd om aanzienlijk verbeterde prestaties te verkrijgen in vergelijking met andere niet-gekarakteriseerde bronnen of verliestolerante MDI-QKD-schema's.

Met behulp van een state-of-the-art experimentele opstelling voor codering en detectie, de onderzoekers toonden aan dat de nieuwe QKD-aanpak sleutels over langere afstanden en met hogere snelheden kon verzenden (10 ^-7 /pulse key rate) dan andere vergelijkbare meetapparaatonafhankelijke QKD-protocollen. Theoretische berekeningen toonden aan dat veilige verzending mogelijk zou zijn over afstanden tot 200 kilometer.

Het huidige werk kan verder worden ontwikkeld door gebruik te maken van ofwel de zeer efficiënte lokmiddel-state-methode of de nieuwe voorgestelde twin-field QKD-protocollen.