一種新的量子通訊方法利用時間塔爾伯特效應來簡化高維量子密鑰分配。
隨著數位通訊的加速和網路威脅的不斷上升，研究人員正在尋找更安全的方式來傳輸敏感資訊。一種有前景的方法是量子密碼學，它使用單一光子來產生無法被秘密攔截的加密金鑰。
物理學院的科學家們現在，我們設計並測試了一個用於城市光纖網路內量子金鑰分發（QKD）的新系統。他們的方法使用所謂的高維編碼。該裝置比許多現有系統更易於建構和擴展，但它依賴於近 200 年前首次描述的物理現象，稱為塔爾博特效應。研究結果發表在期刊上量子光學,光學的， 和應用物理評論.
「我們的研究重點是量子金鑰分發（QKD）——一種使用單光子在雙方之間建立安全金鑰的技術，」華沙大學物理學院量子光子實驗室負責人 Michał Karpiński 博士說。 「傳統上，QKD 採用所謂的量子位元——最簡單的量子資訊單位。雖然這種方法已經經過充分測試，但它並不總是滿足更苛刻應用的要求。這就是研究人員現在致力於多維編碼的原因。我們使用可以呈現多個值的更複雜的量子態，而不是產生兩個測量結果之一的量子位元。」
在量子光子學實驗室，研究人員研究光子的時間段疊加。在這種情況下，一個光子並不是嚴格意義上的「更早」或「更晚」。相反，它以兩種狀態的組合存在。
當檢測到這樣的光子時，確切的到達時間似乎是隨機的。資訊儲存在較早和較晚的光脈衝之間的關係中，特別是光波的相位。
「到目前為止，有效檢測兩個脈衝（較早和較晚）的疊加是可能的。我們更進一步：我們對具有更多時間段的情況感興趣，範圍從兩個到四個甚至更多，」Karpiński 博士補充道。
顳塔爾博特效應
為了實現這一目標，團隊求助於塔爾博特效應，這是一種經典光學現象，由攝影先驅亨利·福克斯·塔爾博特於 1836 年首次描述。
「當光線穿過衍射光柵時，它的圖像會以規則的間隔重複出現，就好像它在一定距離處『復活』一樣。有趣的是，只要一列規則的光脈衝在光纖等色散介質中傳播，同樣的效果不僅會發生在空間上，而且也會發生在時間上。」威斯康辛大學物理學院的博士生 Maciej Ogrodnik 解釋道。
「由於光學中的時空類比，我們可以將塔爾伯特效應應用於短光脈衝，包括單光子，從而獲得分析和處理量子態的新能力。在我們的例子中，一系列光脈衝的作用就像衍射光柵，在光纖中傳播一定距離後，可以在色散下及時『自重構』。此外，脈衝干涉的方式取決於它們的相位疊加，這類型的相位疊加。」
更簡單的實驗設置
利用這個概念，研究人員創建了一個實驗性四維 QKD 系統。
「重要的是，整個裝置是使用商用組件構建的。關鍵的技巧是，該系統只需要一個光子探測器來記錄許多脈衝的疊加，而不是複雜的干涉儀網絡，」華盛頓大學物理學院的博士生 Adam Widomski 說。
“這顯著降低了測量系統的複雜性和成本。此外，我們的方法不需要對接收器進行單獨的、通常耗時且具有挑戰性的校準。”
「傳統上，為了檢測脈衝之間的相位差，我們使用多干涉儀裝置——類似於一棵樹，其中脈衝被分裂和延遲。不幸的是，這樣的系統效率低下，因為一些測量結果是無用的。效率隨著脈衝數量的增加而下降，並且接收器需要精確的校準和穩定，」Ogrodnik 解釋道。
「我們的方法的優點是效率高，因為所有光子檢測事件都是有用的。缺點是測量錯誤率相對較高。然而，正如我們與研究量子密碼學理論的研究人員合作所展示的那樣，這並不能阻止 QKD。此外，我們不需要為不同維度的疊加重建設置 - 我們可以在不改變硬件或穩定接收器的情況下檢測 2D 和 4D 疊加。
不只是速度，還有安全
該團隊在實驗室光纖和華沙大學現有光纖網路中測試了該系統，覆蓋距離達數公里。
Widomski 表示：“借助使用時間 Talbot 效應的新方法，我們使用相同的發射器和接收器成功演示了二維和四維編碼的 QKD。儘管簡單的實驗方法存在固有的錯誤，但我們的結果證實了高維編碼帶來的系統更高的信息效率。”
QKD 的主要優勢在於其安全性可以在基本假設下透過數學方法得到證明。正因為如此，華沙的研究人員從一開始就與義大利和德國專門從事 QKD 安全分析的合作者合作。
「仔細分析發現，許多 QKD 協議的標準描述不完整，攻擊者可以利用這些漏洞。不幸的是，我們的方法也存在這個漏洞。我們參與了解決這個問題的工作。我們的合作者發現，對接收器進行一定的修改可以收集更多數據，從而消除了該漏洞。新協議的安全證明發表在應用物理評論，在我們最新的論文中，我們討論了它在我們的實驗中的應用，」奧格羅德尼克說。
參考：
“具有資源高效檢測的高維量子密鑰分發”，作者：Maciej Ogrodnik、Adam Widomski、Dagmar Bruẞ、Giovanni Chesi、Federico Grasselli、Hermann Kampermann、Chiara Macchiavello、Nathan Walk、Nikolai Wyderka 和 Michał Karpiński，2025 年 8 月 24 日，量子光學.
DOI：10.1364/OPTICAQ.560373
Adam Widomski、Maciej Ogrodnik 和 Michał Karpiński 的“多維單光子時間段疊加的高效檢測”，2024 年 7 月 19 日，光學的.
DOI：10.1364/OPTICA.503095
“具有依賴基礎的檢測機率的量子金鑰分佈”，作者：Federico Grasselli、Giovanni Chesi、Nathan Walk、Hermann Kampermann、Adam Widomski、Maciej Ogrodnik、Michał Karpiński、Chiara Macchiavello、Dagmar Bruß 和 Nikolai Wyderka，2025 年 4 月 4 日，應用物理評論.
DOI：10.1103/PhysRevApplied.23.044011
該計畫是在 QuantERA 國際量子技術合作計劃內進行的，由國家科學中心（NCN，波蘭）協調。該研究使用了華沙大學物理學院光子學和量子技術國家實驗室（NLPQT）的基礎設施。
資助：地平線 2020 框架計畫、國家科學中心、波蘭、聯邦教育與研究部、華沙斯基大學、卓越計畫研究型大學、Ministryo dell’Università e della Ricerca
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一種新的量子通訊方法利用時間塔爾伯特效應來簡化高維量子密鑰分配。
隨著數位通訊的加速和網路威脅的不斷上升，研究人員正在尋找更安全的方式來傳輸敏感資訊。一種有前景的方法是量子密碼學，它使用單一光子來產生無法被秘密攔截的加密金鑰。
物理學院的科學家們現在，我們設計並測試了一個用於城市光纖網路內量子金鑰分發（QKD）的新系統。他們的方法使用所謂的高維編碼。該裝置比許多現有系統更易於建構和擴展，但它依賴於近 200 年前首次描述的物理現象，稱為塔爾博特效應。研究結果發表在期刊上量子光學,光學的， 和應用物理評論.
「我們的研究重點是量子金鑰分發（QKD）——一種使用單光子在雙方之間建立安全金鑰的技術，」華沙大學物理學院量子光子實驗室負責人 Michał Karpiński 博士說。 「傳統上，QKD 採用所謂的量子位元——最簡單的量子資訊單位。雖然這種方法已經經過充分測試，但它並不總是滿足更苛刻應用的要求。這就是研究人員現在致力於多維編碼的原因。我們使用可以呈現多個值的更複雜的量子態，而不是產生兩個測量結果之一的量子位元。」
在量子光子學實驗室，研究人員研究光子的時間段疊加。在這種情況下，一個光子並不是嚴格意義上的「更早」或「更晚」。相反，它以兩種狀態的組合存在。
當檢測到這樣的光子時，確切的到達時間似乎是隨機的。資訊儲存在較早和較晚的光脈衝之間的關係中，特別是光波的相位。
「到目前為止，有效檢測兩個脈衝（較早和較晚）的疊加是可能的。我們更進一步：我們對具有更多時間段的情況感興趣，範圍從兩個到四個甚至更多，」Karpiński 博士補充道。
顳塔爾博特效應
為了實現這一目標，團隊求助於塔爾博特效應，這是一種經典光學現象，由攝影先驅亨利·福克斯·塔爾博特於 1836 年首次描述。
「當光線穿過衍射光柵時，它的圖像會以規則的間隔重複出現，就好像它在一定距離處『復活』一樣。有趣的是，只要一列規則的光脈衝在光纖等色散介質中傳播，同樣的效果不僅會發生在空間上，而且也會發生在時間上。」威斯康辛大學物理學院的博士生 Maciej Ogrodnik 解釋道。
「由於光學中的時空類比，我們可以將塔爾伯特效應應用於短光脈衝，包括單光子，從而獲得分析和處理量子態的新能力。在我們的例子中，一系列光脈衝的作用就像衍射光柵，在光纖中傳播一定距離後，可以在色散下及時『自重構』。此外，脈衝干涉的方式取決於它們的相位疊加，這類型的相位疊加。」
更簡單的實驗設置
利用這個概念，研究人員創建了一個實驗性四維 QKD 系統。
「重要的是，整個裝置是使用商用組件構建的。關鍵的技巧是，該系統只需要一個光子探測器來記錄許多脈衝的疊加，而不是複雜的干涉儀網絡，」華盛頓大學物理學院的博士生 Adam Widomski 說。
“這顯著降低了測量系統的複雜性和成本。此外，我們的方法不需要對接收器進行單獨的、通常耗時且具有挑戰性的校準。”
「傳統上，為了檢測脈衝之間的相位差，我們使用多干涉儀裝置——類似於一棵樹，其中脈衝被分裂和延遲。不幸的是，這樣的系統效率低下，因為一些測量結果是無用的。效率隨著脈衝數量的增加而下降，並且接收器需要精確的校準和穩定，」Ogrodnik 解釋道。
「我們的方法的優點是效率高，因為所有光子檢測事件都是有用的。缺點是測量錯誤率相對較高。然而，正如我們與研究量子密碼學理論的研究人員合作所展示的那樣，這並不能阻止 QKD。此外，我們不需要為不同維度的疊加重建設置 - 我們可以在不改變硬件或穩定接收器的情況下檢測 2D 和 4D 疊加。
不只是速度，還有安全
該團隊在實驗室光纖和華沙大學現有光纖網路中測試了該系統，覆蓋距離達數公里。
Widomski 表示：“借助使用時間 Talbot 效應的新方法，我們使用相同的發射器和接收器成功演示了二維和四維編碼的 QKD。儘管簡單的實驗方法存在固有的錯誤，但我們的結果證實了高維編碼帶來的系統更高的信息效率。”
QKD 的主要優勢在於其安全性可以在基本假設下透過數學方法得到證明。正因為如此，華沙的研究人員從一開始就與義大利和德國專門從事 QKD 安全分析的合作者合作。
「仔細分析發現，許多 QKD 協議的標準描述不完整，攻擊者可以利用這些漏洞。不幸的是，我們的方法也存在這個漏洞。我們參與了解決這個問題的工作。我們的合作者發現，對接收器進行一定的修改可以收集更多數據，從而消除了該漏洞。新協議的安全證明發表在應用物理評論，在我們最新的論文中，我們討論了它在我們的實驗中的應用，」奧格羅德尼克說。
參考：
“具有資源高效檢測的高維量子密鑰分發”，作者：Maciej Ogrodnik、Adam Widomski、Dagmar Bruẞ、Giovanni Chesi、Federico Grasselli、Hermann Kampermann、Chiara Macchiavello、Nathan Walk、Nikolai Wyderka 和 Michał Karpiński，2025 年 8 月 24 日，量子光學.
DOI：10.1364/OPTICAQ.560373
Adam Widomski、Maciej Ogrodnik 和 Michał Karpiński 的“多維單光子時間段疊加的高效檢測”，2024 年 7 月 19 日，光學的.
DOI：10.1364/OPTICA.503095
“具有依賴基礎的檢測機率的量子金鑰分佈”，作者：Federico Grasselli、Giovanni Chesi、Nathan Walk、Hermann Kampermann、Adam Widomski、Maciej Ogrodnik、Michał Karpiński、Chiara Macchiavello、Dagmar Bruß 和 Nikolai Wyderka，2025 年 4 月 4 日，應用物理評論.
DOI：10.1103/PhysRevApplied.23.044011
該計畫是在 QuantERA 國際量子技術合作計劃內進行的，由國家科學中心（NCN，波蘭）協調。該研究使用了華沙大學物理學院光子學和量子技術國家實驗室（NLPQT）的基礎設施。
資助：地平線 2020 框架計畫、國家科學中心、波蘭、聯邦教育與研究部、華沙斯基大學、卓越計畫研究型大學、Ministryo dell’Università e della Ricerca
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