På området for kvanteinformationsfordeling er det at sende et signal fra punkt A til punkt B som en baseball pitcher, der videresender et hemmeligt tonekald til catcher. Pitcheren er nødt til at skjule signalet fra det modstandende hold og coaches, baseløbere og endda tilskuere på tribunen, så ingen andre knækker koden.
Fangeren kan ikke bare forblive på et sted eller stole på det samme fingermønster hver gang, fordi kyndige modstandere konstant arbejder for at dechiffrere enhver forudsigelig rækkefølge. Hvis skiltene er opfanget eller forkert læst, får dejen en fordel, og hele omgangen kan løsne sig for kanden.
Men hvad nu hvis der var en måde for pitchers at styrke deres signaler ved at tilføje ekstra lag af “dimensionalitet” til hvert opkald, hvilket effektivt øger chancerne for at levere det korrekt til catcher, uanset hvor mange øjne der ser på? Hvad hvis ved at inkorporere flere nuancerede bevægelser – et subtilt skift i handskeposition, et specifikt tryk på haugen – kan kanden skabt at skjule deres intentioner?
Med denne højere-dimensionelle tilgang kunne den kodede meddelelse lynlås lige forbi det andet holds bestræbelser på at stjæle tegnene og lande pålideligt i catcher’s Mitt.
Nu, forskning ledet af Liang Feng fra University of Pennsylvania og samarbejdspartner Li Ge på City University of New York og udgivet i Fysisk gennemgang x har resulteret i en nyudviklet kompakt mikrolaser, der transmitterer kodet information mere sikkert.
I stedet for de konventionelle to-dimensionelle kvantebits (qubits), der koder for kvanteinformation inden for et to-niveau-system, bruger mikrolaser Lægning af flere subtile bevægelser for at undgå at vippe pladser.
Denne innovation giver kvantebeskeder mulighed for at bære mere information, mens de er mindre tilbøjelige til interferens, og lægger grunden til fremtiden for sikre, højdimensionelle kvantenetværk.
“Det, vi gjorde, i det væsentlige, var krympet den gigantiske optiske opsætning, som forskere typisk bruger til at skabe kvantesignaler på en lille laserchip,” siger Feng, professor i elektrisk og systemteknik ved School of Engineering and Applied Science. “I dette tilfælde er det tilsvarende energiforbrug ganske lavt sammenlignet med hvad der gøres i dag, men også signalet er langt mere robust.”
I betragtning af det kompakte, slanke design, bemærker Feng, at enheden kan gøres bærbar, hvilket betyder en bruger, siger en bankmand på Wall Street, der modtager krypterede tokens, kan gå rundt med det uden støj fra travle New York -gader, der blander sig i signalerne sendt og modtaget.
Første forfatter Yichi Zhang, en ph.d. Kandidat hos Penn Engineering forklarer, at kvantetasterne er måder at kode og afkode reel information på. “Så forestil dig, at hver gang du logger på en webside til din bank, har du brug for en engangskode. Med denne slags kvantekode ville det teoretisk umuligt at knække på grund af det høje specificitetsniveau i signalet.”
Zhang forklarer, at deres Quantum Key Distribution (QKD) enhed genererer spin-orbit-fotoniske uffits, som refererer til en speciel måde at kode information i lys ved at manipulere både sin form (orbital vinkelmoment) og den måde, det “vrider”, da den bevæger sig igennem plads (polarisering). Med andre ord, snarere end at kode kvanteinformation på kun en egenskab ved en foton, kan teamets system multitask, hvilket giver mulighed for mere komplekse, højdimensionel kodning.
“Vores mikrolasersystem forbedres grundlæggende på eksisterende QKD-metoder, som ofte er afhængige af store, delikate optiske frie rumopsætninger,” forklarer Zhang.
“Før krævede disse slags kvantesignaler en hel optisk tabel fyldt med præcist, voluminøst udstyr. Med vores mikrolaser har vi kondenseret alt dette i en kompakt chip, der kan indarbejdes i den virkelige verdens netværksapplikationer.”
Kigger under hætten
En vigtig driver bag holdets gennembrud var brugen af ikke-hermitisk fysik, der guider, hvordan energi og information kan flyde gennem et system. I modsætning til traditionelle hermitiske systemer, hvor energi og information opfører sig regelmæssigt og stift-som en perfekt afbalanceret skala-introducerer ikke-hermitiske systemer nye kontrolgrader, hvilket gør det muligt for energiudveksling at være dynamisk og bekvemt finjusteret.
Denne fleksibilitet muliggør generering af realtid og manipulation af højdimensionel spin-orbit uffit-tilstande ved hjælp af den ekstreme kompakte mikrolaser. Som et resultat kan udsendt lys – som Qudit -bæreren – være nøjagtigt kontrolleret, hvilket sikrer stabil kvantetasttransmission med større effektivitet.
“Vi designet en mikrolaser, der kan udsende fire forskellige kvantetilstande med perfekt rumlig og tidsmæssig ensartethed,” forklarer Feng. “Dette betyder, at vi ikke behøver at bekymre os om at affasende effekter – som bare er let at miste synkronitet – eller signaltab på grund af miljømæssige udsving.”
Holdets eksperimenter demonstrerede, at deres system pålideligt kunne transmittere kvantetaster over simulerede langdistanceforhold og opretholde signalintegritet på tværs af afstande svarende til over 100 kilometer i atmosfærisk transmission.
“Og vores beregninger antyder, at med yderligere optimering-som at erstatte laveffektiv enkelt-foton-lavine-dioder med superledende nanowire-enkeltfotondetektorer-kunne systemet skubbe forbi 500 kilometer, hvilket gør jord-til-satellit-kvantekommunikation til en konkret virkelighed,” Siger Zhang.
Forskerne adresserer også en stor svaghed i QKD kendt som multifotonimpulser i svag sammenhængende statsudbredelse eller blot sagt sofistikeret aflytning.
“I et perfekt QKD -system indeholder enhver transmitteret puls kun en foton, hvilket sikrer, at kun den tilsigtede modtager kan modtage det,” forklarer Feng. “Men i praktiske implementeringer genererer laserbaserede systemer undertiden multifotonimpulser, hvilket betyder, at der udsendes mere end en foton pr. Signalpuls.”
Dette betyder, at en aflytter kan aflytte en foton fra en puls, måle den og sende de resterende fotoner fremad uforstyrret – i det væsentlige kopiering af meddelelsen uden at mindske den og blive detekteret.
For at forhindre dette implementerede teamet en lokkefugl, der introducerer tilfældige variationer i pulsintensitet, så nogle pulser indeholder det forventede antal fotoner, mens andre bevidst er svagere eller bare tomme.
“Ved tilfældigt at ændre intensiteterne af transmitterede pulser, kan vi narre en aflytte til at afsløre sig selv,” forklarer Zhang. “Hvis nogen forsøger at måle kvantetasterne, kan de ikke være i stand til at fortælle forskellen mellem et reelt signal og et lokkefugl, og vi vil være i stand til at registrere deres interferens.”
Ser fremad
På et enhedsniveau, bemærker Feng, prøver teamet at se, om de yderligere kan øge systemets dimensionalitet, således at de kan kode mere kvanteinformation og gøre dets transmission mere robust og mere elastisk.
“Jeg gætter på, at det næste trin først ville være, at vi virkelig ønsker at teste dette i et praktisk miljø, såsom for eksempel et fibernetværk,” siger han. “For det andet, ud over bare QKD, kan vi se anvendelsen af disse data til denne lille chip anvendt i en række scenarier? Kan de for eksempel tjene som meget vigtige knudepunkter i et kvantenetværk?”