Frequency subspace encoding for multiplexed quantum secret sharing
本文提出了一种资源高效的量子秘密共享协议，该协议利用宽带纠缠光子的频率相关相位调制，通过波长复用实现在单个光源上进行多个独立的秘密共享会话，并在 200 GHz ITU 网格通道上实现了高保真度。
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在安全通信领域，科学家们长期以来一直依靠量子力学的奇特规则来保护信息。想象一个这样的系统：仅仅是尝试读取信息的行为本身就会改变信息，从而提醒发送者有人正在窃听。这就是量子密钥分发的基础，这种方法已被用于在两人之间生成不可破解的加密代码。然而，当一个秘密需要在三个人或更多人之间共享，且没有任何一个人持有完整的答案，且该小组必须共同协作才能重构真相时，一个更复杂的挑战便出现了。这被称为量子秘密共享。虽然理论是完善的，但构建一个能够同时处理多个用户的网络一直非常困难。传统方法通常需要为每一对用户配备一个单独的专用光源，或者应用一个同时影响整个光束的单一控制信号。这使得人们无法在同一根光纤电缆上同时向不同的群体发送不同的秘密，这一局限性阻碍了大容量量子网络的发展。
耶拿弗里德里希·席勒大学和弗劳恩霍夫应用光学与精密工程研究所的研究人员现在展示了一种克服这一瓶颈的方法。他们开发出一种新方法，允许单个纠缠光粒子源同时为多组用户提供服务，每组用户都能接收到各自独立的秘密。该团队通过将光视为一系列不同的颜色通道，而非单一、均匀的光束，成功实现了这一目标，这就像棱镜将白光分解成彩虹一样。通过精确控制特定颜色带内光波的定时，他们能够在不相互干扰的情况下，将不同的秘密编码到同一束光的不同部分中。这种方法有效地将一个量子源变成了多车道的量子高速公路，每一条车道都向特定的接收者对传输唯一的讯息。
该实验依赖于一种产生光子对（即光粒子）的设备，这些光子的属性是完美相关的。在这种设置中，一个光子被发送到一个被称为“委托人”的中央控制器，而另一个则被发送到网络中。随后，委托人会对光进行特定类型的调制，独立地改变每个颜色通道的相位（即波的定时）。这个过程类似于将收音机调到不同的电台；正如收音机可以只接收一个电台而不听到其他电台一样，研究人员的系统可以隔离并读取编码在某一颜色通道中的秘密，同时忽略其余通道。团队使用了一个跨越宽广波长范围的宽带光源，从而可以将光谱切割成许多独立的频率分量。他们选择了这些通道中的特定对作为独立的通信线路，确保了一对用户之间共享的秘密不会泄露到另一对用户使用的通道中。
为了证明这种方法有效，研究人员使用了一个标准电信通道网格对系统进行了测试。他们成功地在两个具有 200 GHz 间隔（这是现代光纤网络中的标准）的特定通道中编码并传输了秘密。结果显示，他们创建的量子态具有极高的准确性，与理想理论状态的保真度至少达到 90%。这种高水平的准确性至关重要，因为这意味着尽管经过了复杂的处理来分离通道，信息依然保持完整且安全。团队还持续监测系统，以确保这些脆弱的量子连接保持稳定，利用反馈回路实时调整设备，以抵消环境振动和温度变化。即使在进行这些必要的调整时，系统仍保持了高质量的信号，证明了该方法具有足够的鲁棒性以投入实际应用。
这项工作的意义远不止于一次成功的实验。研究人员表明，他们的设置理论上可以支持超过 40 个不同的频率通道，这将允许使用标准设备构建一个多达九个用户的全连接网络。这种可扩展性是一个重要的进步，因为它消除了为构建大型量子网络而需要多个昂贵光源的需求。相反，网络中心的单个光源可以向任何数量的用户对分发秘密，只要网络配备了正确的滤波器来分离颜色即可。团队指出，虽然目前的演示使用了运行速度相对较慢的组件，但其底层技术与能够处理接近当前互联网速度的数据的更快速现代设备是兼容的。
该研究证实了在波分复用网络中进行量子秘密共享是可能的，而此前人们认为这受限于无法独立控制单个通道。通过利用光源的自然频率相关性并应用精确的光谱相位调制，研究人员为实现更高效、更具扩展性的量子密码学开辟了道路。这项工作并不声称已经解决了该领域的每一个问题，但它提供了一种资源高效的方法来扩展量子网络。在单根光纤电缆上运行多个独立秘密共享会话的能力，表明构建能够连接众多用户的未来量子互联网的基础设施正变得日益可行。这些成果是利用现成的组件和标准电信网格实现的，表明从实验室实验向实际应用的过渡已近在咫尺。
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