Mikrolaserchip erweitert die Quantenkommunikation um neue Dimensionen

Forscher von Penn Engineering haben einen Chip entwickelt, der die Sicherheit und Robustheit bestehender Quantenkommunikationshardware übertrifft. Ihre Technologie kommuniziert in „Qudits“, wodurch der Quanteninformationsraum aller früheren On-Chip-Laser verdoppelt wird.

Liang Feng, Professor an den Fakultäten für Materialwissenschaft und -technik (MSE) und Elektrische Systeme und Technik (ESE), zusammen mit MSE-Postdoktorand Zhifeng Zhang und ESE-Ph.D. Student Haoqi Zhao, debütierte die Technologie in einer kürzlich veröffentlichten Studie in Natur. Die Gruppe arbeitete mit Wissenschaftlern der Polytechnischen Universität Mailand, des Instituts für interdisziplinäre Physik und komplexe Systeme, der Duke University und der City University of New York (CUNY) zusammen.

Bits, Qubits und Qudits

Während Nicht-Quantenchips Daten mithilfe von Bits speichern, übertragen und berechnen, verwenden hochmoderne Quantengeräte Qubits. Bits können Einsen oder Nullen sein, während Qubits digitale Informationseinheiten sind, die gleichzeitig 1 und 0 sein können. In der Quantenmechanik wird dieser Zustand der Gleichzeitigkeit „Überlagerung“ genannt.

Ein Quantenbit in einem Überlagerungszustand von mehr als zwei Ebenen wird als Qudit bezeichnet, um diese zusätzlichen Dimensionen zu signalisieren.

„In der klassischen Kommunikation“, sagt Feng, „kann ein Laser einen Impuls aussenden, der entweder als 1 oder 0 codiert ist. Diese Impulse können leicht von einem Abfangjäger geklont werden, der versucht, Informationen zu stehlen, und sind daher nicht sehr sicher Puls kann jeden Superpositionszustand zwischen 1 und 0 haben. Superposition macht es so, dass ein Quantenpuls nicht kopiert werden kann. Im Gegensatz zur algorithmischen Verschlüsselung, die Hacker mit komplexer Mathematik blockiert, ist die Quantenkryptographie ein physikalisches System, das Informationen sicher hält.“

Qubits sind jedoch nicht perfekt. Mit nur zwei Überlagerungsebenen haben Qubits begrenzten Speicherplatz und eine geringe Toleranz gegenüber Interferenzen.

Die vierstufigen Qudits des Feng Lab-Geräts ermöglichen erhebliche Fortschritte in der Quantenkryptographie und erhöhen die maximale geheime Schlüsselrate für den Informationsaustausch von 1 Bit pro Impuls auf 2 Bit pro Impuls. Das Gerät bietet vier Überlagerungsebenen und öffnet die Tür für weitere Dimensionssteigerungen.

„Die größte Herausforderung“, sagt Zhang, „war die Komplexität und Nicht-Skalierbarkeit des Standardaufbaus. Wir wussten bereits, wie man diese vierstufigen Systeme generiert, aber es erforderte ein Labor und viele verschiedene optische Tools, um alle zugehörigen Parameter zu steuern mit der Vergrößerung. Unser Ziel war es, dies auf einem einzigen Chip zu erreichen. Und genau das haben wir getan.“

Die Physik der Cybersicherheit

Die Quantenkommunikation verwendet Photonen in streng kontrollierten Überlagerungszuständen. Eigenschaften wie Ort, Impuls, Polarisation und Spin existieren als Multiplizitäten auf der Quantenebene, die jeweils durch Wahrscheinlichkeiten bestimmt werden. Diese Wahrscheinlichkeiten beschreiben die Wahrscheinlichkeit, dass ein Quantensystem – ein Atom, ein Teilchen, eine Welle – bei der Messung ein einzelnes Attribut annimmt.

Mit anderen Worten, Quantensysteme sind weder hier noch dort. Sie sind sowohl hier als auch dort. Erst der Akt des Beobachtens – Detektieren, Schauen, Messen – bewirkt, dass ein Quantensystem eine feste Eigenschaft annimmt. Wie ein subatomares Statuenspiel nehmen Quantenüberlagerungen einen einzigen Zustand an, sobald sie beobachtet werden, was es unmöglich macht, sie unentdeckt abzufangen oder zu kopieren.

Der hyperdimensionale Spin-Orbit-Mikrolaser baut auf dem des Teams auf frühere Arbeiten mit Vortex-Mikrolasern, die den Bahndrehimpuls (OAM) von Photonen feinfühlig abstimmen. Das neueste Gerät verbessert die Fähigkeiten des vorherigen Lasers, indem es eine weitere Befehlsebene über den photonischen Spin hinzufügt.

Diese zusätzliche Kontrollebene – die Möglichkeit, OAM und Spin zu manipulieren und zu koppeln – ist der Durchbruch, der es ihnen ermöglichte, ein System mit vier Ebenen zu erreichen.

Die Schwierigkeit, alle diese Parameter gleichzeitig zu steuern, war das, was die Qudit-Erzeugung in der integrierten Photonik behindert hat, und stellt die größte experimentelle Errungenschaft der Arbeit des Teams dar.

„Stellen Sie sich die Quantenzustände unseres Photons als zwei aufeinander gestapelte Planeten vor“, sagt Zhao. „Vorher hatten wir nur Informationen über die Breitengrade dieser Planeten. Damit konnten wir maximal zwei Überlagerungsebenen erstellen. Wir hatten nicht genug Informationen, um sie in vier zu stapeln. Jetzt haben wir auch die Längengrade. Das ist die Informationen, die wir brauchen, um Photonen auf gekoppelte Weise zu manipulieren und eine Dimensionssteigerung zu erreichen. Wir koordinieren die Rotation und Drehung jedes Planeten und halten die beiden Planeten in strategischer Beziehung zueinander.“

Quantenkryptographie mit Alice, Bob und Eve

Die Quantenkryptographie beruht auf Überlagerung als manipulationssicheres Siegel. In einem beliebten Kryptografieprotokoll namens Quantum Key Distribution (QKD) werden zufällig generierte Quantenzustände zwischen Sender und Empfänger hin und her gesendet, um die Sicherheit eines Kommunikationskanals zu testen.

Wenn Sender und Empfänger (in der Märchenwelt der Kryptographie immer Alice und Bob) eine gewisse Diskrepanz zwischen ihren Nachrichten entdecken, wissen sie, dass jemand versucht hat, ihre Nachricht abzufangen. Bleibt die Übertragung jedoch weitestgehend intakt, verstehen Alice und Bob den Kanal als sicher und nutzen die Quantenübertragung als Schlüssel für verschlüsselte Nachrichten.

Wie verbessert dies die Sicherheit der Nicht-Quanten-Kommunikation? Wenn wir uns das Photon als eine nach oben rotierende Kugel vorstellen, können wir uns ungefähr vorstellen, wie ein Photon klassischerweise die Binärziffer 1 kodieren könnte. Wenn wir uns vorstellen, dass es nach unten rotiert, verstehen wir 0.

Wenn Alice klassische, in Bits codierte Photonen sendet, kann Eve, die Lauscherin, diese stehlen, kopieren und ersetzen, ohne dass Alice oder Bob es bemerken. Selbst wenn Eve die von ihr gestohlenen Daten nicht entschlüsseln kann, wird sie sie vielleicht in naher Zukunft verstecken, wenn Fortschritte in der Computertechnologie ihr den Durchbruch ermöglichen könnten.

Quantenkommunikation fügt eine stärkere Sicherheitsebene hinzu. Wenn wir uns das Photon als eine Kugel vorstellen, die gleichzeitig aufwärts und abwärts rotiert und gleichzeitig 1 und 0 kodiert, bekommen wir eine Vorstellung davon, wie ein Qubit in seinem Quantenzustand seine Dimension behält.

Wenn Eve versucht, das Qubit zu stehlen, zu kopieren und zu ersetzen, wird ihre Fähigkeit, die Informationen zu erfassen, beeinträchtigt und ihre Manipulation wird durch den Verlust der Überlagerung deutlich. Alice und Bob werden wissen, dass der Kanal nicht sicher ist, und werden keinen Sicherheitsschlüssel verwenden, bis sie beweisen können, dass Eve ihn nicht abgehört hat. Erst dann senden sie die beabsichtigten verschlüsselten Daten mit einem Algorithmus, der durch den Qubit-Schlüssel aktiviert wird.

Obwohl die Gesetze der Quantenphysik Eve möglicherweise daran hindern, das abgefangene Qubit zu kopieren, ist sie möglicherweise in der Lage, den Quantenkanal zu stören. Alice und Bob müssen weiterhin Schlüssel generieren und hin und her senden, bis sie aufhört, sich einzumischen. Zufällige Störungen, die die Überlagerung kollabieren lassen, wenn das Photon durch den Raum wandert, tragen ebenfalls zu Interferenzmustern bei.

Der auf zwei Ebenen begrenzte Informationsraum eines Qubits hat eine geringe Toleranz gegenüber diesen Fehlern.

Um diese Probleme zu lösen, benötigt die Quantenkommunikation zusätzliche Dimensionen. Wenn wir uns ein Photon vorstellen, das sich gleichzeitig in zwei verschiedene Richtungen dreht (so wie sich die Erde um die Sonne dreht) und dreht (wie sich die Erde um ihre eigene Achse dreht), bekommen wir ein Gefühl dafür, wie die Feng Lab Qudits funktionieren.

Wenn Eve versucht, den Qudit zu stehlen, zu kopieren und zu ersetzen, kann sie keine Informationen extrahieren und ihre Manipulation wird klar sein. Die gesendete Nachricht hat eine viel größere Fehlertoleranz – nicht nur für Eves Eingriffe, sondern auch für versehentliche Fehler, die eingeführt werden, wenn die Nachricht durch den Weltraum reist. Alice und Bob können Informationen effizient und sicher austauschen.

„Es gibt viele Bedenken“, sagt Feng, „dass mathematische Verschlüsselung, egal wie komplex, immer weniger effektiv wird, weil wir in der Computertechnologie so schnell Fortschritte machen. Die Abhängigkeit der Quantenkommunikation von physikalischen statt mathematischen Barrieren macht sie immun auf diese zukünftigen Bedrohungen. Es ist wichtiger denn je, dass wir die Quantenkommunikationstechnologien weiterentwickeln und verfeinern.“