新型全光纖器件：簡化基於自由空間的量子密鑰分發！

導讀

據美國光學學會官網近日報道，義大利帕多瓦大學開發出一種簡單穩定的器件，以生成量子密鑰分發所需的量子狀態。這種器件讓開發安全的全球數據網路變得更加實際可行。這種網路採用非常安全的加密方法，以保護從信用卡交易到文字之類的一切信息。

背景

日常生活中，例如銀行交易與網上購物，都會涉及到隱私與安全。為了保證信息安全，採用加密技術很有必要。在傳統密碼學中，信息的發送者和接收者預先決定加密代碼即密鑰，只有密鑰可以解密這些加密信息。

要破解這些加密信息，需要先搞清楚加密某一段數據的精確演算法。這些演算法往往非常複雜，所以目前破解這些加密信息難度非常大，也就是說加密的信息是相對安全的。可是，在未來十年或者二十年內，計算機將變得越來越強大，有可能會破解當今一切基於演算法的加密信息。

黑客（圖片來源：普渡大學）

因此，研究新的加密技術顯得很有必要。其中一種典型的新技術就是：量子密鑰分發（QKD）。量子密鑰分發並不是依賴於數學，而是採用光線的量子特性例如偏振，去編碼以及發送解密編碼數據的隨機密鑰。這個方法特別安全，因為任何的第三方入侵都會被檢測到。

量子密鑰分發系統（圖片來源：牛津大學）

創新

義大利帕多瓦大學（University of Padova）的研究人員在美國光學學會（OSA）期刊《光學快報（Optics Letters）》上報告稱，他們的全光纖器件每秒可切換光線的偏振超過10億次。該器件也是自補償式的，對於溫度和其他環境變化不敏感。

（圖片來源：Marco Avesani, 帕多瓦大學）

在「量子未來（QuantumFuture）」研究小組中，在論文合著者 Paolo Villoresi 的配合下領導這項研究的 Giuseppe Vallone 表示：「量子密鑰分發預計將對公民的隱私和安全產生深刻的影響。我們的方案簡化了自由空間通信所用的量子密鑰分發。自由空間通信是指例如衛星到地球，或者移動終端之間的通信。實現全球量子網路需要自由空間通信。」

技術

因為量子密鑰無法很好地跨越長距離的光纖網路開展工作，所以開發一個基於衛星的量子通信網路將全世界範圍內不同的地基量子加密網路連接起來，顯得迫在眉睫。

儘管光線的各種不同的特性可用於創造量子加密所需的量子狀態，然而偏振卻特別適合自由空間鏈接，因為它不會受到大氣的影響，而且在接收器端進行解碼，也無需將數據彙集到單模光纖中（這是一項頗具挑戰性的任務）。

Vallone 表示：「我們的目標是開發一個可在衛星與地面之間使用的量子加密方案，密鑰在軌道上生成。然而，如今的偏振解碼器也不適合應用於太空，因為它們不穩定、昂貴且複雜。它們甚至表現出會減弱協議安全性的邊信道漏洞。」

研究人員稱這種新型偏振編碼器為「POGNAC」，POGNAC 是由 POlarization（偏振）與 SaGNAC（薩格納克）兩個詞結合而成。在光纖環形薩格納克干涉儀的幫助下，這種偏振編碼器能迅速旋轉入射激光的偏振。該裝置可將光束一分為二，兩束光的偏振相互垂直。然後，兩束光分別沿著順時針與逆時針方向通過光纖環路。目前的組件可以放到15 x 5 x 5 厘米的包裝中，如果包含的組件更小，那麼包裝還可以進一步小型化。

POGNAC 工作原理示意圖（圖片來源：參考資料【1】）

在光纖環路中，研究人員使用了市場上可以買得到的電光學調製器，來改變偏振，創造出量子密鑰分發所需的量子狀態。因為順時針和逆時針的光線在不同時間到達調製器，所以它們被各自獨立地調製。

調製器採用一個外加電壓改變光學相位。然而，相移的絕對值取決於許多隨時間變化的參數。Vallone 表示：「在 POGNAC 中，只有兩個偏振光之間的相對位移是有意義的，這個相對位移對應於輸出偏振中的變化。於此同時，由溫度變化和其他因素產生的位移是自修正的。這使得 POGNAC 非常穩定，並消除了影響其他器件的偏振漂移。」

價值

研究人員通過測量 POGNAC 產生的量子狀態的偏振，以及將它們與期望值進行比較，測試了他們的新型器件。他們測得一個內稟的量子誤碼率（QBER）低至0.2%，遠低於典型量子密鑰分發系統1%~2%的量子誤碼率。

Vallone 表示：「我們成果表明，數據能以一種簡單且高效的方式，採用光的偏振來編碼。我們僅採用市場上可以買得到的元件就可以實現這種編碼。」

研究人員們正在持續改善他們的方法，並計劃展開進一步測試，來觀察 POGNAC 在編碼用於加密的量子密鑰時的表現。

關鍵字

量子、加密、光纖

參考資料

【1】Costantino Agnesi, Marco Avesani, Andrea Stanco, Paolo Villoresi, Giuseppe Vallone. All-fiber self-compensating polarization encoder for quantum key distribution. Optics Letters, 2019; 44 (10): 2398 DOI: 10.1364/OL.44.002398

【2】https://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2019/new_all-fiber_device_simplifies_free-space_based_q/

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