Datasikkerhed på Internettet er truet: I fremtiden kunne kvantecomputere afkode endda krypterede filer, der blev sendt over internettet på kort tid. Forskere over hele verden eksperimenterer derfor med kvantenetværk, der muliggør et paradigmeskifte i fremtiden, når de globalt er forbundet til at danne kvanteinternet.
Sådanne systemer ville være i stand til at garantere TAP-bevis kommunikation gennem kvantemekaniske fænomener, såsom superposition og sammenfiltring, samt kryptografiske kvanteprotokoller. Imidlertid er kvanteinternet stadig i sin spædbarn: høje omkostninger kombineret med højt energiforbrug og et højt niveau af kompleksitet for de nødvendige teknologier har forhindret kvantenetværk i at skalere let.
To forskere ved Institute of Photonics ved Leibniz University Hannover ønsker at afhjælpe denne situation. Ved hjælp af frekvensbin-kodning har de udviklet en ny metode til sammenfiltringsbaseret kvantestast. Denne kvantemekaniske krypteringsteknik bruger forskellige lysfrekvenser, dvs. farver, til at kode de respektive kvantetilstande. Metoden øger sikkerheden og ressourceeffektiviteten.
Papiret offentliggøres i tidsskriftet Lys: Videnskab og applikationer.
“Vores tilgang kunne gøre det muligt at opskalere kvantenetværk i fremtiden, mens de bruger færre ressourcer til at forbinde et større antal brugere over større afstande,” siger professor Dr. Michael Kues, leder af Institut for fotonik og medlem af bestyrelsen for Phoenixd Cluster of Excellence på Leibniz Universität Hannover. Forskning i optiske teknologier og fotoniske kvantebits er et af universitetets vigtigste forskningsområder.
Implementering af sammenfiltringsbaseret kvantestastfordeling ved hjælp af frekvens som en grad af frihed har to fordele.
“For det første, sammenlignet med polarisering, er hyppigheden meget robust mod støj, hvilke miljøfaktorer såsom temperatursvingninger og mekaniske vibrationer i de anvendte optiske fibre inducerer og forstyrrer nøgleoverførslen,” siger Anahita Khodad Kashi, en doktorand ved Institute of Photonics .
“Den anden fordel er, at vi ved at bruge frekvensen var i stand til at reducere kompleksiteten af processen og dermed også omkostningerne,” siger Khodad Kashi.
Forskerne har lykkedes at måle kvantetilstandene for lyspartiklerne ved kun at bruge en detektor i stedet for fire meget følsomme fotondetektorer. For at udføre de fire krævede målinger brugte de en metode kaldet frekvens-til-tid-overførsel, som kortlægger frekvenskomponenter til fotons ankomsttid ved detektoren.
Kues siger, at dette reducerede omkostningerne til standard telekommunikationskomponenter fra omkring 100.000 euro til en fjerdedel af dette beløb.
“Derudover mindskes sårbarheden over for detektorangreb, og systemet bliver mere sikkert,” siger Khodadad Kashi.
Metoden bruger ikke kun en, men flere kanaler samtidig. Denne såkaldte adaptive frekvensafdeling multiplexing øger også nøglefordelingshastigheden uden behov for yderligere tekniske enheder.
“Med denne fremgangsmåde tilpasser kvantenetværket sig dynamisk til den aktuelle belastning,” siger Khodadad Kashi.
“I fremtiden vil vores tilgang muliggøre en dynamisk, ressourceminimeret kvantetastfordeling mellem flere brugere. Dette kan gøre kvantenetværk skalerbare,” siger Kues. “Kvantenetværk vil være en vigtig byggesten til at gøre kritisk IT -infrastruktur mere sikker, for eksempel inden for bank- og sundhedsvæsenet.”
Kues ser et behov for yderligere forskning i samspillet mellem nanofotonik og kvanteoptik for at udvikle yderligere metoder og komponenter til generering af en lang række kvantetilstande for den multidimensionelle kodning af kvanteinformation.
“Med udviklingen af kvantenetværk vil vi opleve en ny kvalitet af tilslutningsmuligheder, kapacitet, rækkevidde og sikkerhed for kvantekommunikation i fremtiden,” siger Kues.