隨著數位通訊的加速和網路威脅的不斷增加，研究人員正在努力開發更安全的數據傳輸方式。最有前途的方法之一是量子密碼學。它使用單一光子來創建加密金鑰。華沙大學物理學院的研究小組在現有的城市光纖網路中創建並測試了一種新的量子金鑰分配（QKD）系統。他們的方法使用高維編碼，並基於一種稱為塔爾博特效應的著名光學現象。研究結果發表於 量子光學, 光學的和 已使用物理驗證。。
「我們的研究重點是量子金鑰分發（QKD），這是一種使用單光子在兩方之間創建安全加密金鑰的技術，」物理學院量子光子實驗室負責人 Michał Karpiński 博士說。華沙大學表示，「QKD最初使用所謂的量子位元，這是最簡單的量子資訊單位。雖然這種方法已經過良好的測試，「但它並不總是能夠滿足更苛刻應用的需求。為此，研究人員正在開發多維密碼學。我們不使用產生兩種測量之一的量子位，而是使用可以呈現多個值的更複雜的量子態。 」
在實驗室裡，科學家研究了光子在時間段內的疊加。在這些狀態下，光子不會被檢測為僅「早」或「晚」到達，而是作為兩種可能性的組合而存在。確切的檢測時間是隨機的。並且訊息被編碼在這些光脈衝之間的相位關係中。
「到目前為止，已經可以有效地檢測兩個前後脈衝的疊加。我們更進一步：我們對有更多時隙的情況感興趣。從兩個到四個脈衝或更多，」Karpinski 博士補充道。
在量子通訊中使用塔爾博特效應
該團隊轉向塔爾伯特現象。這是亨利·福克斯·塔爾博特 (Henry Fox Talbot) 於 1836 年首次描述的經典光學現象。
「當光線穿過衍射光柵時，影像會定期重複出現，就好像在一定距離處『復活』一樣。有趣的是，同樣的效果不僅發生在空間中，而且也會發生在時間上。前提是光脈衝通常在光纖等分散介質中傳播，」華盛頓大學物理學院的博士生 Maciej Ogrodnik 解釋道。
研究人員創建了一個系統，訊號在通過光纖傳輸時可以隨著時間的推移有效地自我再生。透過將此效應應用於包括單光子的光脈衝序列，這些脈衝重疊和乾涉的方式取決於脈衝的相位。這使得識別和測量不同的量子態成為可能。
「透過比較光學中的時空，我們可以使用包括單光子在內的短光脈衝的塔爾博特效應，從而獲得分析和處理量子態的新能力。在我們的例子中，一系列光脈衝的作用就像衍射光柵，並且可以在光纖中長距離傳播後在色散下及時「再生」脈衝。此外，脈衝干涉的方式取決於它們的距離。這有助於我們檢測不同類型的重疊。
設計更簡單的量子金鑰分配系統
研究人員創建了一個可以在四個維度上運行的實驗性 QKD 系統。
「重要的是，整個裝置是使用商用組件構建的。關鍵的技巧是，該系統只需要一個光子探測器來記錄許多脈衝的疊加。它是一個複雜的干涉儀網絡，」華盛頓大學物理學院的博士生 Adam Widomski 說。
這種設計顯著降低了成本和技術複雜性。它還消除了對接收器進行頻繁和準確校準的需求。這是傳統系統面臨的重大挑戰。
「根據傳統，為了檢測脈衝之間的相位差，我們使用多干涉儀裝置，例如樹，其中脈衝被分開和延遲。不幸的是，這樣的系統效率低下。這是因為一些測量結果沒有用。效率隨著脈衝數量的增加而降低。而接收器需要精確的校準和穩定性，」Ogrodnik 解釋道。
「我們的方法的優點是效率高。這是因為所有光子檢測事件都是有用的。缺點是測量錯誤率相對較高。然而，正如我們與量子密碼學理論研究人員合作所證明的那樣，這些方法並不能阻止 QKD。此外，我們不需要重建不同維度疊加位置的設置。我們可以在不改變硬體或穩定接收器的情況下檢測 2D 和 4D 位置的設置。我們可以在不改變硬體或穩定接收器的情況下檢測 2D 和補充道。
實際測試和安全改進
該系統在實驗室光纖環境和華沙大學現有光纖網路上進行了幾公里的測試。
「由於一種利用臨時塔爾博特效應的新方法，我們成功地演示了二維和四維編碼的 QKD。使用相同的發射器和接收器，儘管簡單的實驗方法存在誤差，但我們的結果證實了系統由於高維編碼而具有更高的數據效率，」Widomski 說。
在某些假設下，量子金鑰分發因其可證明的安全性而具有價值。為了確保採用強有力的方法，該團隊與義大利和德國專門從事 QKD 安全分析的專家合作。
「仔細分析表明，許多 QKD 協議的標準描述是不完整的。攻擊者可以利用哪些缺陷。不幸的是，我們的方法也存在這個缺陷。我們正在參與解決這個問題。我們的合作者發現，透過對接收器進行一些修改，可以收集更多數據。這將有助於消除漏洞。新協議的安全性證明已發表在《應用程式評論》和我們的最新物理報告中說。
推進量子光子學研究
除了展示新的通訊方法外，該計畫還加強了華沙大學在先進量子光子學方面的專業知識。
這項工作是在 QuantERA 國際量子技術計畫下進行的。在國家科學中心（NCN，波蘭）的協調下，研究人員也使用了物理學院光子學和量子技術國家實驗室（NLPQT）的設施。華沙大學
