Stuttgart prowadzi QKD opartą na splątaniu z kropki kwantowej przez światłowód na kampusie

Zespół kierowany przez Stuttgart wygenerował 14,2 Mbit bezpiecznego klucza na 1,59 km światłowodu z użyciem splątanych fotonów z kropki kwantowej, przeniesionych do pasma telekom.

Ta strona została przetłumaczona z angielskiego. Nazwy firm i produktów oraz linki do źródeł pozostają bez zmian. Przeczytaj oryginał po angielsku

Zespół kierowany przez Uniwersytet w Stuttgarcie przeprowadził opartą na splątaniu kwantową dystrybucję klucza (QKD) przez ułożone łącze światłowodowe, korzystając z fotonów z półprzewodnikowej kropki kwantowej zamiast osłabionych laserów czy nieliniowych kryształów, na których opiera się większość systemów polowych. W preprincie zatytułowanym Deployed entanglement-based BBM92 quantum key distribution using frequency-converted photons emitted by a quantum dot, opublikowanym 27 października, 17 autorów informuje o szybkości generowania bezpiecznego klucza 206 Hz utrzymanej przez 19 godzin na kampusie Stuttgart-Vaihingen.

Co ogłoszono

Według streszczenia łącze obejmowało 1,59 km światłowodu ułożonego w terenie i dało łącznie 14,2 Mbit bezpiecznego klucza, którym zespół zaszyfrował i odszyfrował kolorowy obraz. Quantum Computing Report podaje, że we współpracy uczestniczyły również Uniwersytet Kraju Saary i Leibniz IFW Dresden, a szyfrowanie obrazu opisuje jako szyfr z kluczem jednorazowym (one-time pad).

Szczegóły techniczne

Źródłem jest kropka kwantowa z arsenku galu wytworzona metodą trawienia kroplowego (droplet-etched), emitująca pary fotonów splątanych polaryzacyjnie w okolicy 780 nm i pobudzana z częstotliwością 1 GHz. Ponieważ fale o tej długości słabo rozchodzą się w standardowym światłowodzie telekomunikacyjnym, zespół użył kwantowej konwersji częstotliwości, by przenieść jeden foton z każdej pary do pasma telekomunikacyjnego z zachowaniem splątania polaryzacyjnego. Według QCR konwerter typu Sagnac o wewnętrznej sprawności do 50% przesunął fotony z 779,8 nm do 1515 nm.

Inne dane podane przez QCR:

wierność 91,4% względem docelowego stanu Bella w oknie koincydencji 275 pikosekund;
całkowite straty 1,09 dB na łączu światłowodowym, które łączy laboratorium z szafą odbiorczą w innym miejscu kampusu, z silnikowym śledzeniem polaryzacji;
surowa szybkość klucza 504 Hz i bezpieczna 206 Hz przy średniej kwantowej stopie błędów bitowych 4,70%, poniżej granicy 11% dla protokołu BBM92;
korekcja błędów blokami LDPC o długości 5000 bitów i wzmacnianie prywatności przez haszowanie Toeplitza.

QCR podaje, że cogodzinne kontrole polaryzacji z użyciem zmotoryzowanych płytek falowych utrzymały stabilność łącza przez 19 godzin, a niewielkie spadki przepustowości przypisano dryfowi termicznemu wąskopasmowego filtra.

Dlaczego to ważne

Kropki kwantowe mogą emitować fotony na żądanie, co pozwala uniknąć podstawowego kompromisu źródeł laserowych i kryształowych między jasnością a niepożądaną emisją wielofotonową. Ich wadą była długość fali. Autorzy twierdzą, że eksperyment pokazuje, iż jasne źródło splątanych fotonów pracujące z dużą częstotliwością, wydajny konwerter częstotliwości i synchronizacja czasowa na poziomie pikosekund mogą współdziałać w rzeczywistej, ułożonej sieci – to krok w stronę hybrydowych sieci kwantowych.

Na co zwrócić uwagę

Wyniki to preprint, jeszcze bez recenzji. Odległość odpowiada skali kampusu. Kolejne pytania dotyczą tego, czy podejście sprawdzi się na odległościach miejskich i w sieciach wielowęzłowych oraz czy szybkość bezpiecznego klucza wzrośnie wraz z poprawą sprawności źródła i konwertera.