Verwenden der Quantenmechanik, um Informationen sicherer zu übertragen

Im Bereich der Quanteninformationsverteilung ist das Senden eines Signals von Punkt A nach Punkt B wie ein Baseball -Pitcher, der einen geheimen Pitch -Anruf an den Fänger weitergibt. Der Pitcher muss das Signal des gegnerischen Teams und der Trainer, der Basisläufer und sogar der Zuschauer auf der Tribüne verschleiern, damit niemand den Code knackt.

Der Fänger kann nicht einfach an einem Ort bleiben oder sich jedes Mal auf dasselbe Fingermuster verlassen, da versierte Gegner ständig daran arbeiten, eine vorhersehbare Sequenz zu entschlüsseln. Wenn die Zeichen abgefangen oder falsch verstanden werden, erhält der Teig einen Vorteil, und das gesamte Inning kann sich für den Krug enträtseln.

Aber was wäre, wenn Pitcher ihre Signale durch Hinzufügen zusätzlicher „Dimensionalität“ zu jedem Aufruf gäbe und die Chancen, ihn dem Fänger korrekt zu liefern, effektiv erhöht, egal wie viele Augen zuschauen? Was wäre, wenn der Pitcher durch die Einbeziehung von nuancierteren Gesten – eine subtile Verschiebung der Handschuhposition, einen bestimmten Wasserhahn auf dem Hügel – seine Absichten verbergen könnte?

Mit diesem höherdimensionalen Ansatz könnte die codierte Botschaft über die Bemühungen des anderen Teams hinausgehen, die Zeichen zu stehlen und zuverlässig im Handschuh des Fängers zu landen.

Jetzt unter der Leitung von Liang Feng von der University of Pennsylvania und von Liang Feng an der City University of New York und veröffentlicht in Physische Bewertung x hat zu einem neu entwickelten kompakten Mikrolaser geführt, der codierte Informationen sicherer überträgt.

Anstelle der herkömmlichen zweidimensionalen Quantenbits (Qubits), die Quanteninformationen innerhalb eines zweistufigen Systems codieren Mehrere subtile Gesten überschichten, um ein Kippen von Stellplätzen zu vermeiden.

Diese Innovation ermöglicht Quantenmeldungen mehr Informationen, während sie weniger anfällig für Störungen sind und die Grundlagen für die Zukunft sicherer, hochdimensionaler Quantennetzwerke legen.

„Wir haben im Wesentlichen das gigantische optische Setup geschrumpft, mit dem Forscher in der Regel Quantensignale auf einem kleinen Laserchip erstellen“, sagt Feng, Professor für Elektro- und Systemtechnik an der School of Engineering und angewandte Wissenschaft. „In diesem Fall ist der entsprechende Energieverbrauch im Vergleich zu dem, was heute getan wird, ziemlich niedrig, aber auch das Signal ist weitaus robuster.“

Angesichts seines kompakten, schlanken Designs stellt Feng fest, dass das Gerät tragbar gemacht werden kann, was bedeutet, dass ein Benutzer, beispielsweise ein Bankier in der Wall Street, die verschlüsselte Token erhalten gesendet und empfangen.

Erstautor Yichi Zhang, Ph.D. Kandidat bei Penn Engineering erklärt, dass Quantenschlüssel Möglichkeiten sind, echte Informationen zu codieren und zu dekodieren. „Stellen Sie sich vor, Sie melden sich jedes Mal, wenn Sie sich auf einer Webseite für Ihre Bank anmelden, einen einmaligen Code. Mit dieser Art von Quantencode wäre es theoretisch unmöglich, aufgrund der hohen Spezifität des Signals zu knacken.“

Zhang erklärt, dass ihr Gerät der Quantumschlüsselverteilung (QKD) spin-orbit-photonische Qudits erzeugt, was sich auf eine spezielle Art der Codierung von Informationen im Licht bezieht Raum (Polarisation). Mit anderen Worten, anstatt Quanteninformationen in nur einer Eigenschaft eines Photons zu codieren, kann das Team des Teams Multitasking ermöglichen, was eine komplexere, hochdimensionale Codierung ermöglicht.

„Unser Microlaser-System verbessert sich grundlegend auf vorhandene QKD-Methoden, die häufig auf großen, empfindlichen optischen Freiraum-Setups beruhen“, erklärt Zhang.

„Zuvor benötigten diese Art von Quantensignalen einen gesamten optischen Tisch mit präzisen, sperrigen Geräten. Mit unserem Mikrolaser haben wir all das in einen kompakten Chip zusammengefasst, der in reale Netzwerkanwendungen integriert werden kann.“

Unter die Motorhaube spähen

Ein wichtiger Treiber hinter dem Durchbruch des Teams war die Verwendung der nichthermitischen Physik, die leitet, wie Energie und Informationen durch ein System fließen können. Im Gegensatz zu herkömmlichen Hermitischen Systemen, bei denen sich Energie und Informationen regelmäßig und starr verhalten-wie eine perfekt ausbalancierte Skala-, führen non-hermitische Systeme neue Kontrollgrade ein und ermöglicht es, den Energieaustausch dynamisch und bequem fein abgestimmt zu werden.

Diese Flexibilität ermöglicht die Echtzeitgenerierung und -manipulation hochdimensionaler Spin-Orbit-QUDIT-Zustände unter Verwendung des extremen kompakten Mikrolasers. Infolgedessen kann ein emittiertes Licht – wie der zahlreiche Träger – genau kontrolliert werden, um eine stabile Quantenschlüsselübertragung mit größerer Effizienz zu gewährleisten.

„Wir haben einen Mikrolaser entworfen, der vier verschiedene Quantenzustände mit perfekter räumlicher und zeitlicher Gleichmäßigkeit aussagen kann“, erklärt Feng. „Dies bedeutet, dass wir uns keine Sorgen um die Dephasierungseffekte machen müssen – was nur leicht synchronisiert wird – oder einen Signalverlust aufgrund von Umweltschwankungen.“

Die Experimente des Teams zeigten, dass ihr System die Quantenschlüssel zuverlässig über simulierte Fernbedingungen übertragen und die Signalintegrität über Entfernungen über 100 Kilometer bei atmosphärischer Übertragung hinweg aufrechterhalten kann.

„Und unsere Berechnungen legen nahe, dass mit weiterer Optimierung-wie beim Ersetzen von Ein-Photon-Lawinendioden mit niedrigem Effizienz durch supraleitende Nanodraht-Einzel-Photonen-Detektoren-das System über 500 Kilometer hinausschieben konnte, was die Quantenkommunikation von Grund zu satellit zu einer materiellen Realität macht“ Zhang sagt.

Die Forscher befassen sich auch mit einer großen Schwäche in QKD, die als Multiphotonenimpulse in schwachen kohärenten Zustandsvermeiungen oder einfach ausgedehntem Abhören bekannt ist.

„In einem perfekten QKD -System enthält jeder übertragene Impuls nur ein Photon, um sicherzustellen, dass nur der beabsichtigte Empfänger ihn empfangen kann“, erklärt Feng. „Aber in praktischen Implementierungen erzeugen laserbasierte Systeme manchmal Multiphotonenimpulse, was bedeutet, dass mehr als ein Photon pro Signalimpuls emittiert wird.“

Dies bedeutet, dass ein Abhändungstropper ein Photon von einem Puls abfangen, messen und die verbleibenden Photonen ungestört vorwärts schicken kann – im Wesentlichen kopieren die Nachricht, ohne sie zu verringern und erkannt zu werden.

Um dies zu verhindern, implementierte das Team einen Köder, der zufällige Variationen der Impulsintensität einführt, sodass einige Impulse die erwartete Anzahl von Photonen enthalten, während andere absichtlich schwächer oder einfach nur leer sind.

„Indem wir die Intensitäten von übertragenen Impulsen zufällig verändern, können wir einen Abhören dazu bringen, sich selbst zu entdecken“, erklärt Zhang. „Wenn jemand versucht, die Quantenschlüssel zu messen, kann er den Unterschied zwischen einem realen Signal und einem Köder nicht erkennen, und wir werden ihre Störungen erkennen können.“

Nach vorne schauen

Auf der Ebene der Geräte, bemerkt Feng, versucht das Team zu sehen, ob es die Dimensionalität des Systems so weiter erhöhen kann, dass es mehr Quanteninformationen codieren und sein Getriebe robuster und widerstandsfähiger gestaltet.

„Ich denke, der nächste Schritt wäre zuerst, dass wir dies wirklich in einer praktischen Umgebung testen wollen, wie zum Beispiel ein Fasernetzwerk“, sagt er. „Können wir darüber hinaus die Anwendung dieser Daten für diesen kleinen Chip, der in einer Reihe von Szenarien angewendet wird, darüber hinaus sehen, dass sie beispielsweise als sehr wichtige Knoten in einem Quantennetzwerk dienen?“