Квантовая криптография обещает более безопасную связь. Первым шагом в таких системах является квантовое распределение ключей (QKD), чтобы гарантировать, что отправитель и получатель — обычно называемые Алисой и Бобом — общаются таким образом, что только они знают, что отправляется. Только они владеют «ключом» к сообщениям, и системы настроены таким образом, что присутствие любого перехватчика может быть идентифицировано.В статье, опубликованной сегодня в New Journal of Physics, Мохаммад Мирхоссейни и его коллеги описывают эксперимент, доказывающий принцип, который показывает, что использование OAM для кодирования информации, а не поляризации, открывает возможность многомерной КРК.
Мирхоссейни, доктор философии. студент из группы Роберта Бойда в Институте оптики Рочестерского университета объясняет, что они смогли закодировать семимерный «алфавит», то есть семь букв или символов, используя как орбитальный угловой момент (OAM) фотоны и их угловое положение (ANG). Эти два свойства фотонов образуют то, что физики называют взаимно несмещенными основаниями, что является требованием для КРК.
При использовании взаимно несмещенных базисов правильный ответ выявляется только в том случае, если Алиса кодирует информацию с использованием определенного базиса, а Боб измеряет в этом же базисе.В QKD, как только они сгенерировали длинный общий ключ, Алиса и Боб публично объявляют основу (или «алфавит»), которую они использовали для каждого символа в ключе.
Затем они сравнивают, какой алфавит использовался для отправки, а какой — для получения. Они сохраняют только ту часть ключа, в которой использовали тот же «алфавит».
Письма, которые они хранят, создают секретный ключ, который они могут использовать для шифрования сообщений и передачи их с обычным шифрованием без необходимости квантовой криптографии.Если по какой-либо причине их связь будет перехвачена из-за фундаментального свойства квантовой механики, между ключами Алисы и Боба возникнут расхождения. Чтобы проверить это, Алиса и Боб жертвуют короткой частью своего ключа.
Они сообщают об этом публично и выявляют любые несоответствия. Это позволяет им узнать, является ли их соединение безопасным, и, если нет, они прекратят обмен данными.Исследователи показали, что с помощью своей системы они могли генерировать и обнаруживать информацию с частотой 4 кГц и точностью 93%.
Долгосрочная цель исследования — реализовать безопасную связь на скоростях передачи в ГГц, что желательно для телекоммуникационных приложений.«Наш эксперимент показывает, что для КРК можно использовать« закрученный свет »и что он вдвое увеличивает мощность по сравнению с использованием поляризации», — сказал Мирхоссейни. «В отличие от поляризации, где невозможно кодировать более одного бита на фотон,« скрученный свет »может сделать возможным кодирование нескольких битов, а каждый дополнительный бит информации, закодированный в фотоне, означает меньшее количество фотонов для генерации и измерения».В предыдущем эксперименте с использованием сильного лазерного луча вместо одиночных фотонов команда Бойда смогла измерить до 25 мод OAM и ANG.
Это эквивалентно 25 буквам, доступным в вашем «алфавите», а не 7. Это показывает потенциал для системы, подобной той, которая описана в новом документе, чтобы иметь возможность передавать и измерять 4,17 бита на фотон с использованием более сложного оборудования.Мирхоссейни признает, что проблемы реального мира нелегко преодолеть, но когда дело доходит до QKD, он воодушевлен возможностями, которые открывает их система.