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量子密码通过时间编码

基于时间编码的量子信息的新编码原理。

和威廉惠惠 Scient for Scient N°36
本文保留用于科学用户

Quantum信息的编码是什么选择的?在最多描述的协议和实验中,直到今天实现,信息包含在极化状态或光子相中。然而,通信网络中使用的光纤不会保持长度的极化。偏离极化损失必须偏移,这造成了实际困难,并限制了距离远距离的量子信息的共享。为了防止这个问题,我们使用明确定义的持续时间光脉冲来了解编码量子信息,对与传播相关的缺陷的先验敏感。

为了在量子制度中工作,每个脉冲必须由单个肉谱组成,换句话说是光子。但是光子被定义为单个频率,而不是用于有限时间脉冲。因此,我们利用许多态的一致叠加结果的持续时间脉冲T到光子,由量子力学定义的状态。以这种方式,当测量这些脉冲时,一个不能仅检测一个光子,并且这些脉冲可以产生干扰(因为它们是相干)。

我们使用的矩形脉冲的优点是在脉冲的整个宽度上检测光子的概率是均匀的,因此不可能以更好的精度确定脉冲的时间位置。它的持续时间T.否则说,所有人都能知道的是,在范围内已经检测到光子。

此时,我们具有一致的光脉冲(以测量干扰),光子(使单个测量是可能的),并且在其期间检测光子均匀的概率(使其是不可能预测光子检测的瞬间)。我们发现前一篇文章中描述的量子密码术的基本成分。如何使用这些工具构建密钥交换协议?

偏移信号

我们的两个Alice和Bernard对话者以及间谍Caroline共用的同步信号用作时间参考。这是例如以规则间隔T0发出脉冲的时钟。使用两种类型的脉冲的Alice代码信息:T次脉冲,其启动T0的T0和持续时间的脉冲,该持续时间稍后开始,到T0 + T / 2。因此,可以发射的两种类型的脉冲重叠,其间隔等于T / 2(参见图2a)。

伯纳德使用光子探测器在前面的T.响应时间小,取决于这种情况,它将检测到三个“时间窗口”功能中的光子(参见图2B)。如果Bernard检测到两个明确的窗口中的光子,他会确定已发送哪种类型的脉冲,并且他知道Alice发送的信息。另一方面,如果它检测到与两种类型的脉冲的可能恢复周期对应的模糊窗口中的光子,则它无法知道它的脉冲类型(偏移或不)。这种歧义被利用用于编码。一旦送出的脉冲,伯纳德通过公共频道告诉爱丽丝,他已经获得了非暧昧结果的所有脉冲的数量,但没有揭示检测窗口。其他测量结果被淘汰。 Bernard和Alice可以安全地建立公共键(见图2)。

没有什么能阻止卡罗琳与伯纳德类似的措施,但是如何在没有被发现的情况下进行?如果我们想象一个无损线,Caroline可以重新发出从爱丽丝收到的每个脉冲的冲动。但是,当它获得一个模棱两可的结果时,它不知道返回什么类型的脉冲返回:它不能避免通过返回持续时间脉冲t来引入误差,这是爱丽丝和伯纳德将感知的持续时间脉冲t。

一个强大的间谍

但是,此时,有一种方法可以在没有被注意的情况下复制消息。 Caroline可以检测Alice发送的所有光子,并返回到位于窗口中的光子的光子返回到小于或等于T / 2的光子(我们想象一个能立即响应的全部强大的间谍;记住;“我们希望发现Quantum Cureptication没有技术考虑,而是在强大的物理原则上)。在这种情况下,它将具有而不识别,在Alice和Bernard之间交换的密钥的精确副本。

为了对抗这种攻击,伯纳德足以验证他收到的冲动是否有持续时间T.这样做,伯纳德将重新调用用于区分持续时间T / 2时间脉冲的测试路径的测量路径将脉冲T.脉冲T.向光子随机发送到测量通道或测试通道(两个机会上)。测试途径例如与干涉仪一致,其臂具有等于T / 2的课程时间差。在干涉仪的两个臂中传播的脉冲相对于与传播相关的T / 2的另一个时间偏移。

Alice发出的持续时间脉冲Take保留了部分时间恢复。因此,它们产生干涉仪的干扰输出(提供了您调整阶段)。然后获得检测两个通道中的一个和1/4中的3/4中的光子的概率。相反,低于T / 2的持续时间脉冲不会忽略干涉仪输出,因此不会形成干扰。然后,对两个通道中的每一个相同的检测的概率,然后等于1/2。干扰的存在改变了在两个输出通道中检测到的平均光子的平均数量,这允许伯纳德区分由Alice发出的持续时间脉冲T发射的T / 2发射的Pirate脉冲。 Caroline无法预测哪条路径(测试或测量)将通过她发送的光子,她无法接受这次测试。

执行

我们构建的经验旨在验证协议的原则,并评估由于对“协议安全性的组件为由的缺陷的重要性。我们选择的脉冲的波长为852纳米。在近红外线的这种范围内,我们有足够高效的光学元件来构建完整的系统。光源是激光二极管,其线宽为10兆赫的顺序。脉冲,20纳秒持续时间,通过电光调制器产生。

在实践中,不清楚将脉冲制造到光子,并且我们使用其平均光子的脉冲的衰减脉冲约为0.1。这意味着我们得到了所有十个冲动的光子。以这种方式,在相同脉冲中检测两个光子的概率可忽略不计。

在光纤中进行传输,该光纤在位于850纳米的波长窗口中的光纤中进行:在该波长处,可以想到几公里的典型传动长度,这允许例如远离同一站点之间的建筑物之间的链路。光子计数由基于硅的雪崩检测器制成,其检测效率接近50%至850纳米。

如何评估测试路径?使用迈克森干涉仪在两臂之间具有10纳秒的行程时间差异。因此,随着脉冲的持续时间减小,我们能够验证干扰的对比度的降低。此外,为了评估密钥交换部分正确,我们已经安装了一种电子计数器,该电子计数器测量脉冲相对于时钟信号的延迟。

我们的编辑工作,但我们仍然必须在Photon Counting Sectime中验证自己。然后,我们将能够执行关键交换并比较从理论预测中获得的表现。如果这种实际系统的安全性足够,考虑到缺陷(量子通道中的损失,干涉仪的故障),这是可能应用的重要点,我们将尝试将该组件转换为D 1 550的长度纳米波,在遥远的红外线,用于光纤通信。

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