اپتیک و کوانتوم

در مقاله جدیدی که در Light: Science & Applications منتشر شده است، تیمی از دانشمندان در آلمان به اولین آزمایش QKD درون شهری با منبع قطعی تک فوتون دست یافته اند و انقلابی در نحوه محافظت از اطلاعات محرمانه خود در برابر تهدیدات سایبری ایجاد کرده اند. این تیم توسط پروفسور فی دینگ از دانشگاه لایبنیتز هانوفر (LUH)، پروفسور استفان کوک از Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)، پروفسور پیتر میشلر از دانشگاه اشتوتگارت و سایر همکاران رهبری شد.

نقاط کوانتومی نیمه هادی (QD) که به عنوان اتم های مصنوعی در دنیای کوانتومی شناخته می شوند، پتانسیل زیادی برای روشنایی نورهای کوانتومی مورد استفاده در فناوری های اطلاعات کوانتومی نشان می دهند. این پیشرفت امکان سنجی منابع تک فوتون نیمه هادی را برای یک اینترنت کوانتومی ایمن از راه دور در زندگی واقعی نشان می دهد. پروفسور فی دینگ توضیح داد: "ما با نقاط کوانتومی کار می کنیم، که ساختارهای کوچکی شبیه اتم ها هستند اما متناسب با نیازهای ما هستند. برای اولین بار، ما از این "اتم های مصنوعی" در یک آزمایش ارتباط کوانتومی بین دو شهر مختلف استفاده کردیم. «پیوند کوانتومی Niedersachsen» که از طریق فیبر نوری هانوفر و براونشوایگ را به هم متصل می کند.

آزمایش بین شهری در ایالت فدرال آلمان نیدرساچسن انجام شد که در آن یک فیبر مستقر به طول حدود 79 کیلومتر، دانشگاه لایب‌نیتس هانوفر (LUH) و Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) Braunschweig  را به هم متصل می‌کند. آلیس، واقع در LUH، فوتون های منفرد را به صورت ایستا آماده می کند که در قطبش رمزگذاری شده اند. باب، واقع در PTB، حاوی یک رمزگشای قطبش غیرفعال برای رمزگشایی حالت های قطبش فوتون های منفرد دریافتی است که از کانال های کوانتومی مبتنی بر فیبر می آیند. این همچنین اولین پیوند ارتباطی کوانتومی در نیدرزاکسن آلمان است. در نتیجه، محققان به انتقال پایدار و سریع کلیدهای مخفی دست یافته اند. آنها ابتدا تأیید کردند که نرخ‌های کلید مخفی مثبت (SKR) قابل دستیابی برای فواصل تا 144 کیلومتر است که مربوط به اتلاف 28.11 دسی بل در آزمایشگاه است. یک انتقال کلید مخفی با نرخ بالا با نسبت خطای بیت کوانتومی پایین (QBER) به مدت 35 ساعت بر اساس این پیوند فیبر مستقر شده تضمین شد.

"تحلیل مقایسه ای با سیستم های QKD موجود شامل SPS نشان می دهد که SKR به دست آمده در این کار فراتر از تمام پیاده سازی های مبتنی بر SPS فعلی است. محققان حدس می‌زنند که QDها همچنین چشم‌انداز بزرگی برای تحقق سایر برنامه‌های کاربردی اینترنت کوانتومی، مانند تکرارکننده‌های کوانتومی، حسگری کوانتومی توزیع‌شده، ارائه می‌دهند، زیرا امکان ذخیره ذاتی اطلاعات کوانتومی را فراهم می‌کنند و می‌توانند حالت‌های خوشه فوتونی را منتشر کنند. نتیجه این کار بر قابلیت ادغام یکپارچه منابع تک فوتونی نیمه هادی در شبکه های ارتباطی کوانتومی واقعی، در مقیاس بزرگ و با ظرفیت بالا تأکید می کند.

ارتباطات کوانتومی از ویژگی های کوانتومی نور استفاده می کند تا اطمینان حاصل شود که پیام ها قابل رهگیری نیستند. دینگ گفت: "دستگاه‌های نقطه کوانتومی فوتون‌های منفرد ساطع می‌کنند که ما آنها را کنترل کرده و برای اندازه‌گیری به براونشوایگ می‌فرستیم. این فرآیند برای توزیع کلید کوانتومی اساسی است."

"چند سال پیش، ما فقط رویای استفاده از نقاط کوانتومی در سناریوهای ارتباطات کوانتومی دنیای واقعی را در سر می‌پرورانیم. امروز، ما از نشان دادن پتانسیل آنها برای آزمایش‌ها و کاربردهای بسیار جذاب‌تر در آینده و حرکت به سمت "اینترنت کوانتومی" هیجان‌زده هستیم."

More information: Jingzhong Yang et al, High-rate intercity quantum key distribution with a semiconductor single-photon source, Light: Science & Applications