Deployed entanglement-based BBM92 quantum key distribution using frequency-converted photons emitted by a quantum dot
Dit artikel demonstreert een in het veld ingezet BBM92 quantum sleuteldistributiesysteem op basis van verstrengeling over een 1,59 km lange glasvezellink, gebruikmakend van een hoogwaardige quantum dot-bron gecombineerd met frequentieconversie naar telecomgolflengten om een beveiligde sleutel van 14,2 Mbit te genereren die in staat is een kleurenbeeld te versleutelen.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
In de wereld van beveiligde communicatie is het doel om een bericht te verzenden dat niemand anders kan lezen, zelfs niet als zij over de krachtigste computers ter wereld beschikken. Decennialang heeft dit vertrouwd op complexe wiskundige puzzels die moeilijk op te lossen zijn, maar theoretisch wel te kraken. Kwantumfysica biedt een ander pad, gebaseerd op de fundamentele natuurwetten in plaats van op wiskunde. Het maakt gebruik van het vreemde gedrag van lichtdeeltjes, genaamd fotonen, om een geheime code te creëren. Als een spion probeert mee te luisteren, verandert de handeling van het kijken naar het licht de eigenschappen ervan, waardoor de gebruikers worden gewaarschuwd dat de lijn gecompromitteerd is. Deze methode, bekend als kwantum-sleutelverdeling (quantum key distribution), belooft een niveau van beveiliging dat door het universum zelf wordt gegarandeerd. Het is echter moeilijk geweest om deze theorie om te zetten in een praktisch hulpmiddel voor de echte wereld. De benodigde lichtbronnen zijn vaak zwak en de signalen degraderen snel wanneer ze door de glasvezelkabels worden gestuurd die ons internetverkeer vervoeren.
Een team onderzoekers in Duitsland heeft een belangrijke stap gezet naar het werkbaar maken van deze technologie buiten het laboratorium. Ze hebben met succes een systeem gebouwd dat een veilige geheime sleutel genereert met behulp van een minuscuul, kunstmatig atoom dat een kwantumdot wordt genoemd. Deze bron is bijzonder omdat hij ongelooflijk helder en betrouwbaar is, in staat om paren verstrengelde fotonen uit te zenden — deeltjes die mysterieus verbonden blijven ongeacht de afstand — met een snelheid van één miljard keer per seconde. Om deze deeltjes ver genoeg te laten reizen om nuttig te zijn, moest het team een golflengteprobleem oplossen. De kwantumdot zendt van nature licht uit in een kleur die snel wordt geabsorbeerd door standaard glasvezelkabels. De onderzoekers gebruikten een slimme truc genaamd frequentieconversie om de kleur van één van de fotonen in elk paar te veranderen naar een tint die gemakkelijk door langeafstandskabels reist, terwijl de speciale band tussen de twee deeltjes intact bleef.
Het experiment vond plaats over de campus van de Universiteit van Stuttgart, waarbij twee gebouwen werden verbonden die volgens de kortste weg ongeveer 700 meter van elkaar verwijderd zijn. Het team legde 1,59 kilometer aan glasvezel tussen de twee locaties aan, waardoor een testomgeving in de echte wereld werd gecreëerd die de infrastructuur van een stedelijk netwerk nabootst. Het ene gebouw, dat fungeerde als de zender, huisvestte de kwantumdot-bron en de apparatuur om het licht voor te bereiden. Het andere gebouw, dat fungeerde als de ontvanger, bevatte de detectoren en elektronica die nodig waren om de aankomende fotonen te meten. Omdat de glasvezelkabels aan de omgeving werden blootgesteld, veroorzaakten veranderingen in de temperatuur gedurende de dag een drift in de polarisatie, of de oriëntatie, van het licht. Om dit tegen te gaan, installeerde het team een geautomatiseerd systeem dat de baan van het licht constant controleerde en bijstuurde, waardoor het signaal stabiel bleef ondanks de veranderende omstandigheden.
Gedurende een periode van 19 uur draaide het systeem continu en genereerde het een constante stroom van beveiligde gegevens. De onderzoekers maten hoeveel geheime bits ze per seconde konden creëren, rekening houdend met de onvermijdelijke fouten die optreden bij het verzenden van licht over lange afstanden. Ze ontdekten dat het systeem een veilige sleutel produceerde met een snelheid van 206 bits per seconde. Hoewel dit getal klein mag lijken in vergelijking met de snelheid van het moderne internet, vertegenwoordigt het een enorme hoeveelheid data over een langere tijd; in minder dan een dag genereerde het systeem in totaal 14,2 miljoen bits aan veilige sleutels. Dit was voldoende om een kleurenfoto van de campus te versleutelen en te ontsleutelen, wat bewees dat de sleutel lang genoeg en sterk genoeg was om echte wereldgegevens te beschermen. De afbeelding, wanneer deze werd ontsleuteld met de ruwe, ongecorrigeerde sleutel, leek vervormd door fouten, maar wanneer deze werd ontsleuteld met de uiteindelijke, gezuiverde veilige sleutel, was de foto perfect duidelijk, wat aantoont dat het systeem erin slaagde ruis en fouten te filteren.
Het succes van dit experiment rust op de unieke eigenschappen van de kwantumdot, die fungeert als een zeer efficiënte fabriek voor verstrengeld licht. In tegen tegenstelling tot oudere lichtbronnen die soms te veel fotonen tegelijk verzenden of ze niet betrouwbaar kunnen produceren, is deze bron helder en precies. Door deze bron te combineren met een apparaat dat de kleur van het licht verandert om aan de telecommunicatiestandaard te voldoen, heeft het team de kloof tussen hoogwaardige kwantumfysica en bestaande glasvezelnetwerken overbrugd. Ze slaagden er ook in om de twee verre locaties perfect te synchroniseren in de tijd, door gebruik te maken van een gedeeld kloksignaal dat via dezelfde glasvezelkabel werd verzonden, wat essentieel is voor het matchen van de paren fotonen. Dit werk laat zien dat het mogelijk is om een complex kwantumnetwerk in een echte werkomgeving te laten draaien, gebruikmakend van standaard kabels en omgaand met omgevingsveranderingen, zonder een gecontroleerde laboratoriumomgeving nodig te hebben. Het suggereert dat de bouwstenen voor een toekomstig mondiaal kwantuminternet, waar beveiligde communicatie de norm is in plaats van de uitzondering, al binnen handbereik zijn.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.