Új dimenziók a kvantumtitkosításban
Kezdetben a kvantumkulcs-elosztás (QKD) a legegyszerűbb kvantumállapotokat, az úgynevezett qubiteket használta. Ezekben az információ csupán két állapot valamelyikébe kerülhetett, ami néhány alkalmazásnál nem elég hatékony. Most viszont az új módszer kidolgozói magasabb dimenziójú kódolást teszteltek: nemcsak két, hanem akár négy vagy még több kvantumállapot között tudnak információt továbbítani. A laboratóriumban ehhez az egyedileg előállított fotonokat időbeli szuperpozícióba hozzák – a foton tehát egyszerre több időablakban is jelen lehet, az információt pedig ezek fáziskülönbsége hordozza.
A Talbot-hatás bevonása
A kutatók a Talbot-hatás klasszikus jelenségét alkalmazták, amelyet Henry Fox Talbot még 1836-ban írt le. Amikor a fény egy diffrakciós rácson halad át, annak képe bizonyos távolságokra újra és újra megismétlődik, úgy, mintha a fény „újjászületne”. Ez a hatás nemcsak térben, hanem időben is létrejön – ha szabályos fénypulzussorozat halad át olyan közegen, például optikai szálon, amely szétteríti őket. Az új rendszerben a kutatók egyetlen száloptikai csatornán pulzáló fénnyel dolgoztak; ezek időben összeadódva vagy kioltva egymást a fázist – így az információt is – érvényre juttatják.
Egyszerűbb és olcsóbb rendszerek
A mérnökök négydimenziós QKD-rendszert építettek, amely kizárólag kereskedelmi forgalomban kapható komponensekből áll. A legfontosabb újdonság, hogy elég egyetlen fotondetektor, nincs szükség bonyolult interferométerhálózatra vagy hosszas kalibrálásra, ami a hagyományos rendszerek nagy hátránya volt. A klasszikus, fastruktúrájú, többinterferométeres detektorok sok adatot elveszítettek, és állandó finomhangolásra szorultak. Ezzel szemben az új megoldásnál szinte minden detektált foton hasznosul, még ha a mérési hibaarány magasabb is marad. A felépítés ráadásul egyaránt képes 2D és 4D szuperpozíciók mérésére, átalakítás vagy újrakalibrálás nélkül.
Gyakorlati tesztek és biztonsági kihívások
A rendszer laboratóriumi körülmények között és a Varsói Egyetem meglévő optikai hálózatában is sikerrel vizsgázott, több kilométeres távolságon. A két- és négydimenziós kódolás ugyanazzal az adóval és vevővel is működtethető, a nagyobb hibaarány sem veszélyezteti a kvantumkulcs biztonságát – különösen, mivel az elméleti kutatókkal együttműködve sikerült olyan fogadóoldali módosítást kidolgozni, amely lezárja a korábbi sebezhetőségeket. Biztonsági bizonyításuk nemzetközi elismerést kapott, és alkalmazásukat publikációk is alátámasztják.
Nemzetközi jelentőség és jövőkép
A munka nemcsak egyedülálló kommunikációs módszert eredményezett, de a kvantumfotonika kutatásában is előrelépést hozott. Az eredmények a QuantERA nemzetközi kvantumtechnológiai program részeként, valamint a Varsói Egyetem ultramodern laboratóriumaiban születtek. Mivel az új rendszer kereskedelmi forgalomban beszerezhető eszközökre épül, egyszerűségével és költséghatékonyságával új fejezetet nyithat a gyakorlatban is alkalmazható kvantumtitkosítás és adatátvitel történetében.
