اشتوتگارت توزیع کلید کوانتومی مبتنی بر درهم‌تنیدگی را از یک نقطهٔ کوانتومی روی فیبر نصب‌شدهٔ پردیس اجرا کرد

تیمی به رهبری اشتوتگارت با فوتون‌های درهم‌تنیدهٔ نقطهٔ کوانتومی که به باند مخابراتی تبدیل شده بودند، روی ۱٫۵۹ کیلومتر فیبر پردیس ۱۴٫۲ مگابیت کلید محرمانه تولید کرد.

این صفحه از انگلیسی ترجمه شده است. نام شرکت‌ها، محصولات و پیوندهای منابع بدون تغییر باقی مانده‌اند. خواندن نسخه اصلی انگلیسی

تیمی به رهبری دانشگاه اشتوتگارت توزیع کلید کوانتومی (QKD) مبتنی بر درهم‌تنیدگی را روی یک پیوند فیبر نوری از پیش نصب‌شده اجرا کرده است؛ آن هم با فوتون‌هایی از یک نقطهٔ کوانتومی نیم‌رسانا به‌جای لیزرهای تضعیف‌شده یا بلورهای غیرخطی که بیشتر سامانه‌های میدانی بر آن‌ها تکیه دارند. در پیش‌انتشار Deployed entanglement-based BBM92 quantum key distribution using frequency-converted photons emitted by a quantum dot که ۲۷ اکتبر منتشر شد، ۱۷ نویسنده از نرخ کلید محرمانهٔ ۲۰۶ هرتز خبر می‌دهند که ۱۹ ساعت در پردیس اشتوتگارت-فایهینگن (Vaihingen) پایدار ماند.

چه چیزی اعلام شد

به گفتهٔ چکیده، این پیوند ۱٫۵۹ کیلومتر فیبر نصب‌شده را در بر می‌گرفت و در مجموع ۱۴٫۲ مگابیت کلید محرمانه تولید کرد که تیم با آن یک تصویر رنگی را رمزگذاری و رمزگشایی کرد. Quantum Computing Report گزارش می‌دهد که دانشگاه زارلند و Leibniz IFW Dresden نیز در این کار مشارکت داشتند و رمزگذاری تصویر را از نوع یک‌بارمصرف (one-time pad) توصیف می‌کند.

جزئیات فنی

منبع، یک نقطهٔ کوانتومی گالیم‌آرسنید ساخته‌شده به روش حکاکی قطره‌ای (droplet-etched) است که با نرخ برانگیختگی ۱ گیگاهرتز، جفت‌فوتون‌هایی درهم‌تنیده در قطبش با طول موج حدود ۷۸۰ نانومتر گسیل می‌کند. از آنجا که این طول موج در فیبرهای مخابراتی استاندارد به‌خوبی منتشر نمی‌شود، تیم از تبدیل بسامد کوانتومی استفاده کرد تا یکی از فوتون‌های هر جفت را با حفظ درهم‌تنیدگی قطبشی به باند مخابراتی ببرد. به گفتهٔ QCR، یک مبدل از نوع Sagnac با بازده داخلی تا ۵۰٪ فوتون‌ها را از ۷۷۹٫۸ نانومتر به ۱۵۱۵ نانومتر منتقل کرد.

ارقام دیگری که QCR گزارش کرده است:

وفاداری ۹۱٫۴٪ نسبت به حالت بل هدف در پنجرهٔ هم‌فرودی ۲۷۵ پیکوثانیه؛
اتلاف کل ۱٫۰۹ دسی‌بل روی پیوند فیبری که آزمایشگاه را به قفسهٔ گیرنده در بخش دیگری از پردیس وصل می‌کند، با ردیابی موتوری قطبش؛
نرخ کلید خام ۵۰۴ هرتز و نرخ کلید محرمانهٔ ۲۰۶ هرتز با میانگین نرخ خطای بیت کوانتومی ۴٫۷۰٪، که پایین‌تر از آستانهٔ ۱۱٪ پروتکل BBM92 است؛
تصحیح خطا با بلوک‌های LDPC پنج‌هزاربیتی و تقویت محرمانگی با درهم‌سازی Toeplitz.

به گفتهٔ QCR، بررسی‌های ساعتی قطبش با تیغه‌های موج موتوری پیوند را در سراسر ۱۹ ساعت پایدار نگه داشت و افت‌های جزئی توان عملیاتی به رانش گرمایی یک فیلتر باریک‌باند نسبت داده شد.

چرا اهمیت دارد

نقاط کوانتومی می‌توانند فوتون را بنا به درخواست گسیل کنند و بدین ترتیب از بده‌بستان بنیادین میان درخشندگی و گسیل ناخواستهٔ چندفوتونی در منابع لیزری و بلوری پرهیز می‌کنند. نقطهٔ ضعف آن‌ها تاکنون طول موج بوده است. به گفتهٔ نویسندگان، این آزمایش نشان می‌دهد که یک منبع درخشان و پرنرخ فوتون‌های درهم‌تنیده، یک مبدل بسامد کارآمد و همگام‌سازی زمانی با دقت پیکوثانیه می‌توانند در یک شبکهٔ میدانی واقعی با هم کار کنند؛ گامی به سوی شبکه‌های کوانتومی ترکیبی.

آنچه باید زیر نظر داشت

نتایج در پیش‌انتشاری ارائه شده که هنوز داوری همتا نشده است. فاصله در مقیاس پردیس است. پرسش‌های بعدی این‌اند که آیا این رویکرد در فاصله‌های شهری و شبکه‌های چندگرهی نیز کارآمد می‌ماند، و آیا با بهبود بازده منبع و مبدل، نرخ کلید محرمانه افزایش می‌یابد.