Frequency subspace encoding for multiplexed quantum secret sharing

In de wereld van veilige communicatie vertrouwen wetenschappers al lang op de vreemde regels van de kwantummechanica om informatie te beschermen. Stel je een systeem voor waarbij de handeling van het proberen te lezen van een bericht het bericht zelf verandert, waardoor de zender wordt gewaarschuwd dat er iemand meeluistert. Dit is de basis van kwantumtoetsverdeling (quantum key distribution), een methode die al wordt gebruikt om onbreekbare encryptiecodes tussen twee personen te genereren. Een complexere uitdaging ontstaat echter wanneer een geheim gedeeld moet worden tussen drie of meer mensen, waarbij niemand de volledige oplossing in handen heeft en de groep moet samenwerken om de waarheid te reconstrueren. Dit staat bekend als kwantumgeheime verdeling (quantum secret sharing). Hoewel de theorie deugt, is het bouwen van een netwerk dat veel gebruikers tegelijkertijd kan verwerken moeilijk geweest. Traditionele methoden vereisen vaak een aparte, toegewijde lichtbron voor elk paar gebruikers, of ze passen een enkel besturingssignaal toe dat de gehele lichtstraal in één keer beïnvloedt. Dit maakt het onmogelijk om tegelijkert met dezelfde glasvezelkabel verschillende geheimen naar verschillende groepen mensen te sturen, een beperking die grootschalige kwantumnetwerken buiten bereik heeft gehouden.

Onderzoekers aan de Friedrich Schiller Universiteit Jena en het Fraunhofer Instituut voor Toegepaste Optica en Precisie-engineering hebben nu een manier aangetoond om deze flessenhals te overwinnen. Ze hebben een nieuwe methode ontwikkeld die een enkele bron van verstrengelde lichtdeeltjes in staat stelt om meerdere groepen gebruikers tegelijkertijd te bedienen, waarbij elke groep zijn eigen onafhankelijke geheim ontvangt. Het team bereikte dit door het licht niet als een enkele, uniforme straal te behandelen, maar als een verzameling afzonderlijke kleurkanalen, vergelijkbaar met hoe een prisma wit licht splitst in een regenboog. Door de timing van de lichtgolven binnen specifieke kleurenbanden zorgvuldig te controleren, waren ze in staat om verschillende geheimen in verschillende delen van dezelfde straal te coderen zonder dat deze elkaar in de weg zaten. Deze aanpak verandert één kwantumbron effectief in een snelweg met meerdere rijstroken voor veilige gegevens, waarbij elke rijstrook een unieke boodschap naar een specifief paar ontvangers draagt.

Het experiment steunde op een apparaat dat paren fotonen genereert, deeltjes van licht, die aan elkaar gekoppeld zijn op een manier dat hun eigenschappen perfect gecorreleerd zijn. In deze opstelling wordt één foton naar een centrale controller gestuurd, de dealer, terwijl de andere naar het netwerk wordt gestuurd. De dealer past vervolgens een specifiek type modulatie toe op het licht, waarbij de fase, of de timing van de golf, voor elk kleurkanaal onafhankelijk wordt gewijzigd. Dit proces is vergelijkbaar met het afstemmen van een radio op verschillende zenders; net zoals een radio één station kan opvangen zonder de andere te horen, kan het systeem van de onderzoekers het geheim dat in één kleurkanaal is gecodeerd isoleren en lezen terwijl de rest wordt genegeerd. Het team gebruikte een breedbandige lichtbron die een breed bereik aan golflengten beslaat, waardoor het spectrum in veel afzonderlijke frequentiebakken kon worden gesneden. Ze selecteerden specifieke paren van deze kanalen om als onafhankelijke communicatielijnen te fungeren, wat ervoor zorgde dat het geheim dat tussen één paar gebruikers werd gedeeld, niet lekte naar het kanaal dat door een ander paar werd gebruikt.

Om te bewijzen dat deze methode werkte, testten de onderzoekers hun systeem met behulp van een raster van standaard telecommunicatiekanalen. Ze slaagden erin om geheimen te coderen en te verzenden over twee specifieke kanalen binnen een afstand van 200 gigahertz, een standaard die wordt gebruikt in moderne glasvezelnetwerken. De resultaten toonden aan dat de kwantumtoestanden die zij creëerden zeer accuraat waren en de ideale theoretische toestanden maten met een getrouwheid (fidelity) van ten minste 90 procent. Dit hoge niveau van nauwkeurigheid is cruciaal omdat het betekent dat de informatie intact en veilig bleef, ondanks de complexe manipulatie die nodig was om de kanalen te scheiden. Het team monitorde het systeem ook continu om ervoor te zorgen dat de delicate kwantumverbindingen stabiel bleven, met behulp van een feedbacklus die de apparatuur in realtime bijstuurde om in te werken op omgevingsvibraties en temperatuurveranderingen. Zelfs met deze noodzakelijke aanpassingen behield het systeem een hoge signaalkwaliteit, wat aantoont dat de methode robuust genoeg is voor praktisch gebruik.

De implicaties van dit werk reiken verder dan een enkele succesvolle experiment. De onderzoekers toonden aan dat hun opstelling theoretisch meer dan 40 verschillende frequentiekanalen kan ondersteunen, wat zou kunnen leiden tot een volledig verbonden netwerk van tot wel negen gebruikers met standaardapparatuur. Deze schaalbaarheid is een belangrijke stap voorwaarts, omdat het de noodzaak wegneemt voor meerdere, dure lichtbronnen om een groot kwantumnetwerk te creëren. In plaats daarvan kan een enkele bron in het midden van het netwerk geheimen distribueren naar een willekeurig aantal gebruikersparen, mits het netwerk is uitgerust met de juiste filters om de kleuren te scheiden. Het team merkte op dat hoewel hun huidige demonstratie componenten gebruikte die op relatief lage snelheden werkten, de onderliggende technologie compatibel is met veel snellere, moderne apparaten die uiteindelijk gegevens kunnen verwerken met snelheden die vergelijkbaar zijn met de huidige internetsnelheden.

De studie bevestigt dat het mogelijk is om kwantumgeheime verdeling uit te voeren in een door golflengte gemultiplext netwerk, een prestatie die voorheen werd geacht beperkt te zijn door het onvermogen om individuele kanalen onafhankelijk te besturen. Door gebruik te maken van de natuurlijke frequentiecorrelaties van de lichtbron en een nauwkeurige spectrale fasemodulatie toe te passen, hebben de onderzoekers een pad geopend naar een efficiëntere en schaalbaardere kwantumcryptografie. Het werk beweert niet dat het alle problemen in het vakgebied heeft opgelost, maar het biedt een concrete, hulpbron-efficiënte methode om kwantumnetwerken uit te breiden. Het vermogen om meerdere onafhankelijke sessies voor geheime verdeling te draaien over een enkele glasvezelkabel suggereert dat de infrastructuur voor een toekomstig kwantuminternet, in staat om veel gebruikers veilig te verbinden, steeds haalbaarder wordt. De resultaten, behaald met standaardcomponenten en standaard telecommunicatiegrids, wijzen erop dat de overgang van laboratoriumexperimenten naar real-world toepassingen binnen bereik is.