Eine neue Möglichkeit, geheime Informationen mithilfe der Quantenmechanik auszutauschen

Quanteninformation ist eine leistungsstarke Technologie zur Erhöhung der Informationsmenge, die sicher verarbeitet und kommuniziert werden kann. Die Verwendung von Quantenverschränkung zur sicheren Verteilung eines geheimen Quantenzustands auf mehrere Parteien wird als „Quantum State Sharing“ bezeichnet.

Das Quantenzustands-Sharing, ein wichtiges Protokoll in Quantennetzwerken und Kryptographie, funktioniert (vereinfacht ausgedrückt) so: Ein geheimer Quantenzustand wird in n Anteile aufgeteilt und an n Spieler weitergegeben. Der geheime Staat kann nur rekonstruiert werden, wenn k (wobei k>n/2) Spieler kooperieren, während die verbleibenden nk Spieler keinen Zugriff auf die Informationen haben. Dieses Protokoll kann auch zur Quantenfehlerkorrektur verwendet werden, wodurch der geheime Zustand selbst dann rekonstruiert werden kann, wenn einige Informationen verloren gehen.

In der Quanteninformation gibt es zwei Arten von Systemen: Systeme mit diskreten Variablen und Systeme mit kontinuierlichen Variablen. Systeme mit diskreten Variablen sind gut, weil sie nicht so leicht Informationen verlieren, während Systeme mit kontinuierlichen Variablen gut sind, weil die Erzeugung und Verarbeitung von Quantenzuständen eher deterministisch als probabilistisch ist, was ein hohes Maß an Präzision ermöglicht.

Eine Sache, die Menschen mit kontinuierlichen variablen Systemen versucht haben, ist der Austausch von Quantenzuständen (Informationen) zwischen verschiedenen Orten. Dazu müssen sie jedoch eine Technik namens Electrical Feedforward verwenden, bei der Signale zwischen elektrischer und optischer Form umgewandelt werden. Leider begrenzt diese Technik die Bandbreite des Quantenzustandsteilungsprozesses.

Ein rein optisches Quantenzustands-Sharing-Protokoll verspricht eine Möglichkeit, Quanteninformationen mit Licht zu teilen, ohne sie in elektrische Signale umzuwandeln. Dieses Protokoll wurde theoretisch vorgeschlagen, aber noch nicht implementiert, da es schwierig ist, das Rauschen zu kontrollieren, das natürlicherweise im verstärkten Ausgangszustand bestimmter Arten von optischen Geräten vorhanden ist.

Wie in berichtet Fortgeschrittene Photonikhaben Forscher der East China Normal University kürzlich ein solches System erfolgreich implementiert. Sie verwendeten einen rauscharmen Verstärker, der auf einem Vierwellen-Mischprozess basiert, um das elektrische Feedforward-Gerät zu ersetzen.

Mit dieser neuen Methode konnten sie Quantenzustände zwischen zwei oder mehr Spielern teilen, wobei zwei beliebige Spieler zusammenarbeiten können, um den geheimen Zustand abzurufen, während der Rest der Spieler nichts bekommt. Sie testeten drei verschiedene Rekonstruktionsstrukturen und stellten fest, dass die durchschnittliche Wiedergabetreue aller Strukturen 0,74 ± 0,03 betrug, was besser ist als die klassische Grenze von 2/3. Sie bestätigten auch, dass diese neue Methode innerhalb eines bestimmten Bandbreitenbereichs verwendet werden kann.

Laut dem korrespondierenden Autor Jietai Jing, Professor am State Key Laboratory of Precision Spectroscopy der East China Normal University, „zielt diese Studie darauf ab, die Bandbreitenbegrenzung des Quantenzustands-Sharing-Prozesses im kontinuierlichen Variablensystem zu beseitigen. Die experimentellen Ergebnisse bieten eine rein optische Plattform für die Implementierung von rein optischem Quantenzustands-Sharing.“ Er fügt hinzu: „Diese Forschung ebnet den Weg zum Aufbau eines rein optischen Breitband-Quantennetzwerks.“