Efficient Heralding of Loss-Tolerant Photonic GHZ States for Device-Independent Conference Key Agreement over Long Distances

In de zoektocht naar het bouwen van een werkelijk onhackbare internet, wenden wetenschappers zich tot de vreemde regels van de kwantummechanica. In de kern van deze inspanning ligt een concept genaamd verstrengeling, waarbij deeltjes zo diep met elkaar verbonden raken dat het meten van het ene de toestand van het andere onmiddellijk onthult, ongeacht hoe ver ze van elkaar verwijderd zijn. Dit fenomeen stelt een groep mensen in staat om een gedeelde geheime code te genereren die wiskundig gezien onmogelijk door een afluisteraar onderschept kan worden zonder gedetecteerd te worden. Er is echter een grote hindernis: lichtsignalen die door glasvezelkabels of door de lucht reizen, vervagen onvermijdelijk. Naarmate de afstand toeneemt, wordt het signaal zwakker en de delicate kwantumverbinding verbreekt. Voor een netwerk van veel gebruikers is dit signaalverlies een ernstige flessenhals, wat langafstandscommunicatie met de huidige technologie vaak onmogelijk maakt.

Een team van onderzoekers heeft nu een manier gevonden om deze barrière te overwinnen door de aard van het licht dat ze gebruiken te veranderen. Ze ontdekten dat niet alle kwantumtoestanden even kwetsbaar zijn bij signaalverlies. Hoewel twee verschillende soorten kwantumtoestanden in een perfecte, verliesvrije wereld identiek zouden lijken, gedragen ze zich heel verschillend wanneer fotonen onderweg verloren gaan. Het team toonde aan dat door een specifiek type lichttoestand te gebruiken—één die een mengeling bevat van het hebben van geen fotonen en het hebben van veel fotonen—ze de kwantumverbinding veel verder konden behouden dan voorheen voor mogelijk werd gehouden. Deze doorbraak maakt het mogelijk om veilige geheime sleutels tussen meerdere partijen te creëren over afstanden van meer dan 150 kilometer, zelfs met de imperfecte detectoren die vandaag de dag beschikbaar zijn.

De onderzoekers richtten zich op een specifieke uitdaging die bekend staat als device-independent conference key agreement. In dit scenario willen verschillende mensen een geheime code overeenkomen zonder dat zij de hardware hoeven te vertrouwen die zij gebruiken. Om de veiligheid van hun verbinding te bewijzen, moeten zij een test uitvoeren die aantoont dat hun deeltjes werkelijk verstrengeld zijn. Het probleem is dat als er te veel deeltjes verloren gaan voordat ze de detectoren bereiken, de test mislukt en de veiligheid niet kan worden geverifieerd. Eerdere methoden vertrouwden op het verzenden van een vast aantal fotonen, wat lijkt op het proberen te versturen van een bericht door een specifiek aantal knikkers uit te tellen. Als er zelfs maar één knikker verloren gaat, is de telling fout en is het bericht verpest. De nieuwe aanpak gebruikt een andere strategie, vergelijkbaar met het verzenden van een bericht dat ofwel een blanco pagina is, of een pagina vol tekst. Als de blanco pagina wordt verzonden, doet het verliezen van een foton er niet toe, omdat er in eerste instantie niets te verliezen viel. Deze "vacuüm-n-foton"-toestand is inherent robuuster tegen het vervagen dat optreedt over lange afstanden.

Om dit idee in de praktijk te brengen, ontwierp het team een stervormig netwerk waarbij meerdere gebruikers hun lichtsignalen naar een centraal station sturen. In het midden van dit station worden de signalen gemengd met behulp van spiegels en beam splitters. De onderzoekers realiseerden zich dat om de meest robuuste toestand te creëren, de gebruikers niet allemaal exact hetzelfde type licht moesten verzenden. In plaats daarvan hadden ze een heterogene opstelling nodig waarbij sommigen een enkel foton verzonden en anderen een paar fotonen. Wanneer deze verschillende signalen elkaar in het centrale station ontmoeten, fungeert een specif patroon van detector-clicks als een "herald", die aankondigt dat er een succesvolle kwantumverbinding is gevormd tussen alle gebruikers. Deze methode is veel efficiënter dan het verzenden van een vooraf samengestelde groep verstrengelde deeltjes vanuit het centrum naar de gebruikers, wat zou vereisen dat alle deeltjes de reis zouden overleven. Door de gebruikers hun delen naar het centrum te laten sturen, daalt de kans op succes veel langzamer naarmate de afstand toeneemt.

Het team voerde gedetailleerde simulaties uit om te zien hoe goed dit systeem in de echte wereld zou werken, rekening houdend met het feit dat glasvezelkabels licht absorberen en dat detectoren niet perfect zijn. Ze vonden dat hun nieuwe methode een veel hogere mate van signaalverlies kon tolereren dan de oude methoden. Voor een netwerk van vier gebruikers kon het nieuwe protocol veilige sleutels genereren bij detectie-efficiënties zo laag als 86,5% bij ideale metingen, en nog steeds werken met ongeveer 93,4% efficiëntie met meer praktische, hedendaagse detectoren. Dit is een significante verbetering, aangezien eerdere schema's vereisten dat detectoren bijna perfect waren om überhaupt te kunnen werken. De simulaties toonden aan dat veilige communicatie kon worden gehandhaafd over afstanden van meer dan 150 kilometer, een bereik dat voorheen buiten bereik was voor dit type multi-user kwantumnetwerk.

Een van de meest verrassende bevindingen was dat de manier waarop de gebruikers aan de test worden toegewezen, uitmaakt. Omdat de gebruikers verschillende soorten licht verzenden, is het netwerk niet perfect symmetrisch. De onderzoekers ontdekten dat het succes van de beveiligingstest afhing van welke gebruikers werden toegewezen om specifieke metingen uit te voeren. Door zorgvuldig te kiezen welke gebruikers welke rollen op zich namen, konden zij de kracht van de kwantumverbinding maximaliseren. Dit inzicht suggereert dat het ontwerpen van een kwantumnetwerk niet alleen gaat over het verbinden van kabels, maar over het strategisch arrangeren van de typen lichtbronnen en de rollen van de deelnemers om de beste prestaties te krijgen.

De onderzoekers keken ook naar hoe zij dit systeem met bestaande technologie konden bouwen. Ze stelden voor om een algemeen proces genaamd spontaneous parametric down-conversion te gebruiken om de benodigde lichttoestanden te genereren. Hoewel deze methode niet perfect is en soms extra ongewenste fotonen kan produceren, toonde het team aan dat het systeem robuust genoeg is om deze imperfecties op te vangen. Zelfs met deze extra fotonen kon het netwerk nog steeds de beveiligingstest doorstaan en een geheime sleutel genereren. Dit betekent dat de technologie geen exotische, futuristische componenten vereist, maar gebouwd kan worden met instrumenten die al beschikbaar zijn in laboratoria.

Uiteindelijk biedt dit werk een duidelijk pad vooruit voor het bouwen van veilige kwantumnetwerken die steden en regio's kunnen overspannen. Door te begrijpen dat de fysieke structuur van het licht even belangrijk is als de kwantumverstrengeling zelf, hebben de onderzoekers een manier gevonden om deze netwerken veerkrachtig te maken tegen het onvermijdelijke verlies van een signaal. Hun bevindingen suggereren dat we, met de juiste combinatie van lichtbronnen en netwerkontwerp, dichter bij een toekomst kunnen komen waarin veilige, device-independent communicatie een praktische realiteit is voor veel gebruikers, en niet slechts een theoretische mogelijkheid. De studie bevestigt dat door zorgvuldig te selecteren hoe we informatie in licht coderen, we het bereik van kwantumbeveiliging ver voorbij de huidige grenzen kunnen uitbreiden.