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新的全光纤设备简化了基于自由空间的量子密钥分发

发布时间:2019-06-25 10:53:13 来源:

研究人员开发了一种简单而稳定的器件来生成量子密钥分配所需的量子态。该设备可以使开发全球数据网络变得更加实用,该网络使用这种非常安全的加密方法来保护从信用卡交易到文本的所有内容。

需要新的加密技术,因为足以破解当今基于算法的加密代码的计算机可能会在未来十年或两年内推出。量子密钥分配不是依赖于数学,而是使用诸如极化的光的量子特性来编码和发送解密编码数据所需的随机密钥。该方法非常安全,因为任何第三方入侵都是可检测的。

意大利帕多瓦大学的研究人员在光学学会(OSA)期刊Optics Letters上报告说,他们的全光纤设备每秒可以切换光的偏振超过10亿次。该设备还具有自补偿功能,使其对温度和其他环境变化不敏感。

“量子密钥分发预计将对公民的隐私和安全产生深远的影响,”由共同作者Paolo Villoresi协调的量子未来研究小组领导这项研究的朱塞佩·瓦隆说。“我们的方案简化了自由空间通信的量子密钥分配 - 例如从卫星到地球或移动终端之间 - 这是实现全球量子网络所必需的。”

发展全球网络

由于量子加密在长距离光纤网络上不能很好地发挥作用,因此现在需要开发一种基于卫星的量子通信网络,以连接世界各地的各种地面量子加密网络。

尽管可以使用光的各种属性来创建用于量子加密的量子态,但是极化特别适合于自由空间链路,因为它不受大气的干扰,并且接收器处的解码可以在没有使用漏斗的具有挑战性的任务的情况下执行。数据转换成单模光纤。

“我们的目标是开发一种在卫星和地面之间使用的量子加密方案,其中密钥是在轨道上产生的,”Vallone说。“然而,今天的偏振编码器并不适合在太空中使用,因为它们不稳定,昂贵且复杂。它们甚至可能会出现破坏协议安全性的侧通道。”

快速稳定的偏振编码

新的偏振编码器 - 研究人员称之为POGNAC用于POlarization SaGNAC--由于采用了光纤环Sagnac干涉仪,可以快速旋转入射激光的偏振。该设置将光分成两束,其偏振相对于彼此成直角。然后光束以顺时针和逆时针方向穿过光纤环。目前的组件可以装入15 x 5 x 5厘米的包装中,如果采用更小的组件,可以进一步实现小型化。

在光纤环路内,研究人员使用市售的电光调制器来改变极化,从而创建量子密钥分配所需的量子态。因为顺时针和逆时针分量在不同时间到达调制器,所以它们可以各自独立调制。

调制器使用施加的电压来改变光学相位。但是,相移的绝对值取决于随时间变化的许多参数。“在POGNAC中,只有两个偏振分量之间的相对偏移是相关的 - 这个相对相移对应于输出偏振的变化 - 而由温度变化和其他因素引起的偏移是自我校正的,”Vallone说。“这使得POGNAC非常稳定,并消除了影响其他设备的偏振漂移。”

研究人员通过测量POGNAC产生的量子态的极化并将它们与预期值进行比较来测试他们的新器件。他们测量的内部量子误码率(QBER)低至0.2%,远低于典型量子密钥分配系统的1-2%QBER。

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