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Die Quantenschlüsselverteilung beruht nicht auf Mathematik, sondern verwendet Quanteneigenschaften von Licht wie Polarisation, Decodierung und Übertragung von Zufallsschlüsseln, die codierte Daten entschlüsseln. Diese Methode ist besonders sicher, da Eindringlinge von Drittanbietern erkannt werden.
Forscher der Universität Padua in Italien berichteten in der Zeitschrift Optics Letters der Optical Society of America (OSA), dass ihre Glasfasergeräte mehr als eine Milliarde Polarisationen pro Sekunde umschaltbaren Lichts aufweisen. Das Gerät ist außerdem selbstkompensierend und unempfindlich gegen Temperatur- und andere Umweltveränderungen.
In der QuantumFuture-Forschungsgruppe sagte Giuseppe Vallone, der die Forschung mit dem Co-Autor Paolo Villoresi leitete: "Es wird erwartet, dass die Verteilung von Quantenschlüsseln einen tiefgreifenden Einfluss auf die Privatsphäre und Sicherheit der Bürger hat. Unser Schema vereinfacht die verwendete Verteilung von Quantenschlüsseln B. Satellit-Erde-Kommunikation oder Kommunikation zwischen mobilen Endgeräten. Die Realisierung globaler Quantennetze erfordert eine Freiraumkommunikation. "
Technologie
Da Quantenschlüssel in faseroptischen Langstreckennetzen nicht gut funktionieren, ist die Entwicklung eines satellitenbasierten Quantenkommunikationsnetzwerks, das verschiedene bodenbasierte quantenverschlüsselte Netzwerke auf der ganzen Welt verbindet, dringend erforderlich.
Obwohl die verschiedenen Eigenschaften des Lichts verwendet werden können, um die für die Quantenverschlüsselung erforderlichen Quantenzustände zu erzeugen, eignet sich die Polarisation besonders gut für die Freiraumverbindung, da sie nicht von der Atmosphäre beeinflusst wird und beim Empfänger dekodiert wird, ohne dass Daten gesammelt werden müssen. Auf Singlemode-Glasfaser umsteigen (dies ist eine herausfordernde Aufgabe).
Vallone sagte: "Unser Ziel ist es, ein Quantenverschlüsselungsschema zu entwickeln, das zwischen Satelliten und Boden verwendet werden kann. Schlüssel werden im Orbit erzeugt. Die heutigen Polarisationsdecoder sind jedoch nicht für den Einsatz im Weltraum geeignet, da sie instabil und teuer sind. Und komplex Sie weisen sogar Schwachstellen im Seitenkanal auf, die die Sicherheit des Protokolls beeinträchtigen können. "
Die Forscher sagen, der neue Polarisationscodierer sei "POGNAC" und POGNAC ist eine Kombination aus POlarization und SaGNAC. Mit Hilfe eines faseroptischen ringförmigen Sagnac-Interferometers kann dieser Polarisationscodierer die Polarisation des einfallenden Lasers schnell drehen. Das Gerät teilt den Strahl in zwei Teile und die Polarisation der beiden Strahlen ist senkrecht zueinander. Die beiden Strahlen durchlaufen dann die Faserschleife im Uhrzeigersinn bzw. gegen den Uhrzeigersinn. Aktuelle Komponenten können in einer 15 x 5 x 5 cm großen Verpackung untergebracht werden. Wenn die enthaltenen Komponenten kleiner sind, kann die Verpackung weiter miniaturisiert werden.
In der Glasfaserschleife verwendeten die Forscher handelsübliche elektrooptische Modulatoren, um die Polarisation zu ändern und den für die Quantenschlüsselverteilung erforderlichen Quantenzustand zu erzeugen. Da die Strahlen im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn zu unterschiedlichen Zeiten am Modulator ankommen, werden sie unabhängig voneinander moduliert.
Der Modulator verwendet eine angelegte Spannung, um die optische Phase zu ändern. Der absolute Wert der Phasenverschiebung hängt jedoch von einer Reihe von Parametern ab, die sich über die Zeit ändern. Vallone sagte: "In POGNAC ist nur die relative Verschiebung zwischen zwei polarisierten Lichtern von Bedeutung. Diese relative Verschiebung entspricht der Änderung der Ausgangspolarisation. Gleichzeitig korrigiert sich die durch Temperaturänderungen und andere Faktoren verursachte Verschiebung von selbst. Dies macht POGNAC sehr stabil und beseitigt Polarisationsverschiebungen, die andere Geräte betreffen. "
Wert
Die Forscher testeten ihre neuen Geräte, indem sie die Polarisation der von POGNAC erzeugten Quantenzustände maßen und sie mit den erwarteten Werten verglichen. Sie maßen eine Quantenfehlerrate (QBER) von nur 0,2%, viel niedriger als die Quantenfehlerrate von 1% bis 2% eines typischen Quantenschlüsselverteilungssystems.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass Daten mithilfe der Polarisation von Licht auf einfache und effiziente Weise codiert werden können“, sagte Vallone. „Das schaffen wir nur mit handelsüblichen Komponenten.“
Die Forscher verbessern ihre Methoden kontinuierlich und planen weitere Tests, um zu beobachten, wie sich POGNAC beim Codieren von Quantenschlüsseln für die Verschlüsselung verhält.