漢諾威萊布尼茨大學(xué)的兩位研究人員首次展示了一種利用光子顏色實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可調(diào)、資源最小化的量子密鑰分發(fā)技術(shù)。

互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)安全正面臨威脅：未來，量子計(jì)算機(jī)可能瞬間解碼通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送的加密文件。因此，全球研究人員正在試驗(yàn)量子網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)在全球連接形成量子互聯(lián)網(wǎng)時(shí)，將帶來未來通信的范式轉(zhuǎn)變。通過量子力學(xué)現(xiàn)象（如疊加和糾纏）以及量子密碼協(xié)議，這類系統(tǒng)能夠確保通信的防竊聽性。然而，量子互聯(lián)網(wǎng)仍處于起步階段：高昂的成本、高能耗以及所需技術(shù)的高度復(fù)雜性，使得量子網(wǎng)絡(luò)難以輕松擴(kuò)展。

圖片:csm_2f9fa4dca5ef3be7728c1ae4dd02ae384f27aa4e-fp-16-9-0-0_e0ac2ca45a.jpg

漢諾威萊布尼茨大學(xué)光子學(xué)研究所的兩位研究人員希望改變這一現(xiàn)狀。他們利用頻率編碼技術(shù)，開發(fā)了一種基于糾纏的量子密鑰分發(fā)新方法。這種量子力學(xué)加密技術(shù)使用不同的光頻率（即顏色）來編碼相應(yīng)的量子態(tài)，從而提高了安全性和資源效率。光子學(xué)研究所所長、漢諾威萊布尼茨大學(xué)PhoenixD卓越集群董事會(huì)成員Michael Kues教授表示：“我們的方法未來可能使量子網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，同時(shí)使用更少的資源連接更多用戶，覆蓋更遠(yuǎn)距離。”光學(xué)技術(shù)和光子量子比特的研究是該大學(xué)的重點(diǎn)研究領(lǐng)域之一。

使用頻率作為自由度來實(shí)現(xiàn)基于糾纏的量子密鑰分發(fā)有兩個(gè)優(yōu)勢。光子學(xué)研究所博士生Anahita Khodadad Kashi表示：“首先，與偏振相比，頻率對(duì)噪聲非常魯棒，光纖中的溫度波動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)等環(huán)境因素會(huì)引發(fā)噪聲并干擾密鑰傳輸。第二個(gè)優(yōu)勢是，通過使用頻率，我們能夠降低過程的復(fù)雜性，從而降低成本�！�

研究人員成功使用單個(gè)探測器而非四個(gè)高靈敏度光子探測器測量了光粒子的量子態(tài)。為了進(jìn)行所需的四次測量，他們采用了一種稱為頻率-時(shí)間轉(zhuǎn)換的方法，將頻率分量映射到光子到達(dá)探測器的時(shí)間。Kues表示，這將標(biāo)準(zhǔn)電信組件的成本從約10萬歐元降低到四分之一。Khodadad Kashi補(bǔ)充道：“此外，探測器攻擊的脆弱性降低，系統(tǒng)變得更加安全�！�

該方法同時(shí)使用多個(gè)通道，這種所謂的自適應(yīng)頻分復(fù)用技術(shù)還提高了密鑰分發(fā)速率，而無需額外的技術(shù)設(shè)備。Khodadad Kashi表示：“通過這種方法，量子網(wǎng)絡(luò)的性能能夠動(dòng)態(tài)適應(yīng)當(dāng)前負(fù)載�！盞ues指出：“未來，我們的方法將實(shí)現(xiàn)多用戶之間動(dòng)態(tài)、資源最小化的量子密鑰分發(fā)，從而使量子網(wǎng)絡(luò)具備可擴(kuò)展性。量子網(wǎng)絡(luò)將成為關(guān)鍵IT基礎(chǔ)設(shè)施（如銀行和醫(yī)療領(lǐng)域）更加安全的重要基石�！�

Kues認(rèn)為，需要進(jìn)一步研究納米光子學(xué)與量子光學(xué)的相互作用，以開發(fā)更多方法和組件，生成廣泛的量子態(tài)，用于量子信息的多維編碼。他表示：“隨著量子網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，未來我們將體驗(yàn)到量子通信在連接性、容量、范圍和安全方面的新質(zhì)量�！�

該研究由TÜV Nord / Alter Technology、德國聯(lián)邦教育與研究部（BMBF）和歐洲研究理事會(huì)（ERC）資助，研究成果發(fā)表在《光：科學(xué)與應(yīng)用》期刊上。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01696-8