利用光子顏色實現(xiàn)高性能量子互聯(lián)網(wǎng)
漢諾威萊布尼茨大學的兩位研究人員首次展示了一種利用光子顏色實現(xiàn)動態(tài)可調(diào)、資源最小化的量子密鑰分發(fā)技術(shù)。 pRqx`5 }
互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)安全正面臨威脅：未來，量子計算機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，將帶來未來通信的范式轉(zhuǎn)變。通過量子力學現(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)的高度復雜性，使得量子網(wǎng)絡(luò)難以輕松擴展。 +z( L r=G
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漢諾威萊布尼茨大學光子學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。光子學研究所所長、漢諾威萊布尼茨大學PhoenixD卓越集群董事會成員Michael Kues教授表示：“我們的方法未來可能使量子網(wǎng)絡(luò)擴展，同時使用更少的資源連接更多用戶，覆蓋更遠距離。”光學技術(shù)和光子量子比特的研究是該大學的重點研究領(lǐng)域之一。 M{@(G5
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使用頻率作為自由度來實現(xiàn)基于糾纏的量子密鑰分發(fā)有兩個優(yōu)勢。光子學研究所博士生Anahita Khodadad Kashi表示：“首先，與偏振相比，頻率對噪聲非常魯棒，光纖中的溫度波動和機械振動等環(huán)境因素會引發(fā)噪聲并干擾密鑰傳輸。第二個優(yōu)勢是，通過使用頻率，我們能夠降低過程的復雜性，從而降低成本。” f 2.HF@
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研究人員成功使用單個探測器而非四個高靈敏度光子探測器測量了光粒子的量子態(tài)。為了進行所需的四次測量，他們采用了一種稱為頻率-時間轉(zhuǎn)換的方法，將頻率分量映射到光子到達探測器的時間。Kues表示，這將標準電信組件的成本從約10萬歐元降低到四分之一。Khodadad Kashi補充道：“此外，探測器攻擊的脆弱性降低，系統(tǒng)變得更加安全。” h\o.&6sd
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該方法同時使用多個通道，這種所謂的自適應(yīng)頻分復用技術(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)的性能能夠動態(tài)適應(yīng)當前負載。”Kues指出：“未來，我們的方法將實現(xiàn)多用戶之間動態(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。” QY/w
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Kues認為，需要進一步研究納米光子學與量子光學的相互作用，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，未來我們將體驗到量子通信在連接性、容量、范圍和安全方面的新質(zhì)量。” $X6h|?3U,
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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（ERC）資助，研究成果發(fā)表在《光：科學與應(yīng)用》期刊上。 \Z/@C lCm
相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01696-8
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