La cryptographie quantique est l'une des technologies quantiques les plus prometteuses de notre époque :exactement la même information est générée à deux endroits différents, et les lois de la physique quantique garantissent qu'aucun tiers ne peut intercepter ces informations. Cela crée un code avec lequel les informations peuvent être parfaitement cryptées.

L'équipe du professeur Marcus Huber de l'Atomic Institute of TU Wien a développé un nouveau type de protocole de cryptographie quantique, qui a maintenant été testé dans la pratique en coopération avec des groupes de recherche chinois :alors que jusqu'à présent on utilisait normalement des photons qui peuvent être dans deux états différents, la situation ici est plus compliquée :huit chemins différents peuvent être empruntés par chacun des photons. Comme l'équipe a maintenant pu le montrer, cela rend la génération de la clé cryptographique quantique plus rapide et également beaucoup plus robuste contre les interférences. Les résultats sont maintenant publiés dans la revue scientifique Lettres d'examen physique .

Deux états, deux dimensions

« Il existe de nombreuses façons d'utiliser les photons pour transmettre des informations, " dit Marcus Huber. " Souvent, les expériences se concentrent sur la polarisation de leurs photons. Par exemple, qu'ils oscillent horizontalement ou verticalement - ou qu'ils soient dans un état de superposition de mécanique quantique dans lequel, en un sens, ils assument les deux états simultanément. Semblable à la façon dont vous pouvez décrire un point sur un plan à deux dimensions avec deux coordonnées, l'état du photon peut être représenté comme un point dans un espace à deux dimensions."

Mais un photon peut aussi véhiculer des informations indépendamment de la direction de polarisation. On peut, par exemple, utiliser les informations sur le chemin sur lequel le photon se déplace actuellement. C'est exactement ce qui a maintenant été exploité :« Un faisceau laser génère des paires de photons dans un type particulier de cristal. Il y a huit points différents dans le cristal où cela peut se produire, " explique Marcus Huber. Selon le moment où la paire de photons a été créée, chacun des deux photons peut se déplacer le long de huit chemins différents - ou le long de plusieurs chemins en même temps, ce qui est également permis selon les lois de la théorie quantique.

Ces deux photons peuvent être dirigés vers des endroits complètement différents et y être analysés. Une des huit possibilités est mesurée, complètement au hasard, mais comme les deux photons sont physiquement intriqués, le même résultat est toujours obtenu aux deux endroits. Quiconque se trouve devant le premier appareil de mesure sait ce qu'une autre personne détecte actuellement sur le deuxième appareil de mesure - et personne d'autre dans l'univers ne peut obtenir cette information.

Huit États, huit dimensions

"Le fait que nous utilisions ici huit chemins possibles, et non deux directions de polarisation différentes comme c'est généralement le cas, fait une grande différence, " dit Marcus Huber. " L'espace des états quantiques possibles devient beaucoup plus grand. Le photon ne peut plus être décrit par un point en deux dimensions, mathématiquement, il existe maintenant en huit dimensions."

Cela présente plusieurs avantages :Premièrement, il permet de générer plus d'informations :à 8307 bits par seconde et plus de 2,5 bits par paire de photons, un nouveau record a été établi dans la génération de clés de cryptographie quantique basée sur l'intrication. Et deuxièmement, on peut montrer que cela rend le processus moins sensible aux interférences.

"Avec toutes les technologies quantiques, il faut faire face au problème de la décohérence, " dit Marcus Huber. " Aucun système quantique ne peut être parfaitement à l'abri des perturbations. Mais s'il entre en contact avec des perturbations, alors il peut perdre ses propriétés quantiques très facilement :les intrications quantiques sont détruites. » États quantiques de dimension supérieure, cependant, sont moins susceptibles de perdre leur enchevêtrement même en présence de perturbations.

De plus, des mécanismes sophistiqués de correction d'erreur quantique peuvent être utilisés pour compenser l'influence des perturbations externes. « Dans les expériences, une lumière supplémentaire a été allumée dans le laboratoire pour provoquer délibérément des perturbations - et le protocole fonctionnait toujours, " dit Marcus Huber. " Mais seulement si nous utilisions réellement huit chemins différents. Nous avons pu montrer qu'avec un simple encodage bidimensionnel, une clé cryptographique ne peut plus être générée dans ce cas. »

En principe, il devrait être possible d'améliorer le nouveau, protocole de cryptographie quantique plus rapide et plus fiable en utilisant des degrés de liberté supplémentaires ou un nombre encore plus grand de chemins différents. "Toutefois, cela augmente non seulement l'espace des états possibles, il devient aussi de plus en plus difficile à un moment donné de lire correctement les états, " dit Marcus Huber. " Nous semblons avoir trouvé un bon compromis ici, au moins dans la gamme de ce qui est actuellement techniquement possible. »