Kwantumcryptografie is een van de meest veelbelovende kwantumtechnologieën van onze tijd:precies dezelfde informatie wordt op twee verschillende locaties gegenereerd, en de wetten van de kwantumfysica garanderen dat geen enkele derde partij deze informatie kan onderscheppen. Hierdoor ontstaat een code waarmee informatie perfect versleuteld kan worden.

Het team van Prof. Marcus Huber van het Atomic Institute van TU Wien ontwikkelde een nieuw type kwantumcryptografieprotocol, die nu in de praktijk is getest in samenwerking met Chinese onderzoeksgroepen:terwijl men tot nu toe normaal fotonen gebruikte die zich in twee verschillende toestanden kunnen bevinden, de situatie hier is gecompliceerder:elk van de fotonen kan acht verschillende paden nemen. Zoals het team nu heeft kunnen laten zien, dit maakt het genereren van de kwantumcryptografische sleutel sneller en ook aanzienlijk robuuster tegen interferentie. De resultaten zijn nu gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

twee staten, twee dimensies

"Er zijn veel verschillende manieren om fotonen te gebruiken om informatie te verzenden, ", zegt Marcus Huber. "Vaak, experimenten richten zich op de polarisatie van hun fotonen. Bijvoorbeeld, of ze horizontaal of verticaal oscilleren - of dat ze zich in een kwantummechanische superpositietoestand bevinden waarin, in zekere zin, ze nemen beide toestanden tegelijk aan. Vergelijkbaar met hoe je een punt op een tweedimensionaal vlak met twee coördinaten kunt beschrijven, de toestand van het foton kan worden weergegeven als een punt in een tweedimensionale ruimte."

Maar een foton kan ook onafhankelijk van de polarisatierichting informatie dragen. Men kan, bijvoorbeeld, gebruik de informatie over het pad dat het foton momenteel aflegt. Dit is precies wat nu is uitgebuit:"Een laserstraal genereert fotonparen in een speciaal soort kristal. Er zijn acht verschillende punten in het kristal waar dit kan gebeuren, " legt Marcus Huber uit. Afhankelijk van het punt waarop het fotonenpaar is ontstaan, elk van de twee fotonen kan langs acht verschillende paden bewegen - of langs meerdere paden tegelijk, wat ook is toegestaan ​​volgens de wetten van de kwantumtheorie.

Deze twee fotonen kunnen naar totaal verschillende plaatsen worden gestuurd en daar worden geanalyseerd. Een van de acht mogelijkheden wordt gemeten, volledig willekeurig, maar aangezien de twee fotonen kwantumfysisch verstrengeld zijn, op beide plaatsen wordt steeds hetzelfde resultaat verkregen. Wie bij het eerste meetapparaat staat, weet wat een ander momenteel bij het tweede meetapparaat waarneemt - en niemand anders in het universum kan aan deze informatie komen.

Acht staten, acht dimensies

"Het feit dat we hier acht mogelijke paden gebruiken, en niet twee verschillende polarisatierichtingen zoals gewoonlijk het geval is, maakt een groot verschil, " zegt Marcus Huber. "De ruimte van mogelijke kwantumtoestanden wordt veel groter. Het foton kan niet langer worden beschreven door een punt in twee dimensies, wiskundig bestaat het nu in acht dimensies."

Dit heeft verschillende voordelen:Ten eerste, hierdoor kan meer informatie worden gegenereerd:bij 8307 bits per seconde en meer dan 2,5 bits per fotonenpaar, er is een nieuw record gevestigd in het genereren van sleutels voor kwantumcryptografie op basis van verstrengeling. En ten tweede, Aangetoond kan worden dat dit het proces minder storingsgevoelig maakt.

"Met alle kwantumtechnologieën, je hebt te maken met het probleem van decoherentie, ", zegt Marcus Huber. "Geen kwantumsysteem kan perfect worden afgeschermd van verstoringen. Maar als het in aanraking komt met storingen, dan kan het zijn kwantumeigenschappen heel gemakkelijk verliezen:de kwantumverstrengeling wordt vernietigd." Hoger-dimensionale kwantumtoestanden, echter, hebben minder kans om hun verstrikking te verliezen, zelfs in aanwezigheid van verstoringen.

Bovendien, geavanceerde kwantumfoutcorrectiemechanismen kunnen worden gebruikt om de invloed van externe verstoringen te compenseren. "Bij de experimenten er werd extra licht aangezet in het laboratorium om opzettelijk storingen te veroorzaken - en het protocol werkte nog steeds, ', zegt Marcus Huber. 'Maar alleen als we daadwerkelijk acht verschillende paden gebruiken. We hebben kunnen aantonen dat met een loutere tweedimensionale codering in dit geval geen cryptografische sleutel meer kan worden gegenereerd."

In principe, het moet mogelijk zijn om de nieuwe, sneller en betrouwbaarder kwantumcryptografieprotocol verder door gebruik te maken van extra vrijheidsgraden of een nog groter aantal verschillende paden. "Echter, dit vergroot niet alleen de ruimte van mogelijke toestanden, het wordt op een gegeven moment ook steeds moeilijker om de staten correct uit te lezen, " zegt Marcus Huber. "We lijken hier een goed compromis te hebben gevonden, tenminste binnen het bereik van wat momenteel technisch mogelijk is."