Hun resultaten, gepubliceerd in CLEO 2023 valideren een eerder proof-of-principle laboratoriumexperiment door ORNL-wetenschappers in 2015.

Het team zond een kwantumsignaal uit voor de distributie van kwantumsleutels – een veilige benadering voor het delen van een geheime sleutel – met behulp van een echte lokale oscillator. Een lokale oscillator onderdrukt de effecten van ruis die wordt verspreid door andere gegevens die in hetzelfde glasvezelnetwerk worden verzonden, en het werk toonde de coëxistentie aan tussen de kwantum- en conventionele gegevenssignalen.

Het signaal reisde door het glasvezelnetwerk van ORNL, gecodeerd in continue variabelen die de eigenschappen van lichtdeeltjes, of fotonen, in amplitude en fase beschreven. Het gebruik van continue variabelen van fotonen voor codering maakt een bijna oneindig aantal instellingen mogelijk voor het verspreiden van willekeur die kunnen worden gebruikt voor cyberbeveiliging en maakt compatibiliteit met bestaande klassieke communicatiesystemen mogelijk.

Het experiment van het ORNL-team was niet alleen baanbrekend op het gebied van informatiebeveiliging, maar maakte ook gebruik van de bestaande glasvezelinfrastructuur, wat een goedkopere en gemakkelijkere adoptie mogelijk zou maken.

Het experiment loste grote obstakels op voor de implementatie van quantumsleuteldistributie en verbeterde tegelijkertijd de veiligheid, zegt Nicholas Peters, hoofd van de Quantum Information Science Section van ORNL en de hoofdonderzoeker van het onderzoek.

"Quantum key distribution is een cryptografisch protocol waarbij twee partijen een veilige sleutel kunnen genereren die alleen zij kennen", aldus Peters. "In dit experiment wordt dit gedaan door lasers te gebruiken om zwakke optische pulsen te genereren tussen twee punten, meestal Alice en Bob genoemd."

Wanneer de ontvangende partij een puls meet, kunnen metingen uitwijzen of een afluisteraar het bericht heeft onderschept en gecorrumpeerd. In eerdere experimenten zonder een echte lokale oscillator werd deze optische puls samen met de lokale oscillator verzonden. Eerdere methoden creëerden het potentieel voor kwetsbaarheden die niet worden aangepakt in de huidige best practices die worden gedefinieerd door het onderliggende concept van beveiliging. De nieuwe methode is gebaseerd op optische signalen die worden gegenereerd door onafhankelijke lasers op de zend- en ontvangstpunten.

"In principe kijken we naar interferentie", zegt Brian Williams, hoofdauteur van de studie en een ORNL-kwantumonderzoeker. "Het is alsof je een steen in een meer gooit en rimpelingen creëert. Dat is vergelijkbaar met de golfachtige aard van een foton waar we naar kijken. Als twee stenen erin worden gegooid, creëren ze vreemde patronen in het water. We doen een soortgelijke interferentie -gebaseerde meting van dat kwantumsignaal, maar alleen het deel dat overeenkomt met de laser wordt gedetecteerd. Dit vereist een zeer smalle energieresolutie."

Overmatig geluid erodeert de snelheid van de sleutel die kan worden gedistribueerd. Te veel ruis en een fractie van de potentiële sleutel wordt verbruikt om de vertrouwelijkheid te beschermen.

"Het doel is om de best mogelijke signaal-ruisverhouding te verkrijgen", aldus Williams. "Door een laser met smalle energie als lokale oscillator te gebruiken, fungeert deze als een filter voor achtergrondruis en verbetert de signaal-ruisverhouding."

Toekomstige inspanningen zullen zich richten op het reproduceren van de resultaten van het experiment onder een breder scala aan netwerkscenario's.

Meer informatie: Brian P. Williams et al, Continu variabele kwantumsleutelverdeling met echte lokale oscillator, CLEO 2023 (2023). DOI:10.1364/CLEO_FS.2023.FF1A.2

Geleverd door Oak Ridge National Laboratory