Photonic quantum technologies could be only light years away from PhysOrg.com
Photonic quantum information science could soon move out of the laboratory and be used in future technologies like quantum computers thanks to a grant of over £1 million.
[...]
Researchers at the National Institute of Standards and Technology (NIST) have built a prototype high-speed quantum key distribution (QKD) system, based on a new detector system that achieves dramatically lower noise levels than similar systems. The new system, they say, can perform a theoretically unbreakable “one-time pad” encryption, transmission and decryption of a video signal in real-time over a distance of at least 10 kilometers.
Key distribution—the problem of ensuring that both the sender and receiver of an encrypted message (and no one else) share the same long string of random digits (the so-called “key”) used to encode and decode the message—has always been one of the most important challenges in cryptography. Since the 1980’s it’s been recognized that the unique properties of quantum mechanics—the fact that certain measurements cannot be made without altering the thing measured—offered the possibility of a system that could transmit as long a key as desired between two parties with no chance that it could be copied undetectably by a third party.
Detection stage of the NIST prototype quantum key distribution (QKD) system: Photons are “up-converted” from 1310 to 710 nm by one of the two NIST-designed converters at right, then sent to one of two commercial silicon avalanche photo diode units to the left.
Since then the race has been on to build a fast, practical and reliable QKD system. One important requirement for any candidate system is that it be compatible with existing fiber-optic telecom networks that transmit at wavelengths of either 1550 or 1310 nanometers (nm) to reach the greatest distance. Another requirement is a highly efficient photon detector that can detect single photons reliably without introducing significant amounts of “noise.” One of the best low-noise detectors, a silicon-based avalanche photo diode (Si-APD), does not function at the telecom wavelengths. Instead, it operates best at much shorter wavelengths around 700 nm. To take advantage of the Si-APD, the NIST group designed a sub-system to “up-convert” single photons from a transmission wavelength of 1310 nm to 710 nm for high-efficiency detection.
Their QKD system that incorporates this up-conversion technique, described in a recent paper,* generates and transmits secure keys at a rate of over half a million bits per second over 10 km of optical fiber, fast enough to encrypt streaming digital video using one-time pad in real time. The group also has transmitted secure keys at rates near 10 kilobits per second at five times that distance. The same team last year set a speed record for transmission of secure keys over a kilometer of fiber (see www.nist.gov/public_affairs/releases/quantumfiber.htm). This work improves the distance by at least 10 times.
Advantages of the new system, according to the research team, include high speed, high efficiency, low noise and convenience of operation. The fact that it uses a 1310 nm transmission wavelength somewhat limits the propagation distance but adds the advantage that the parallel “classical-quantum” communication, which is needed for a full QKD system, can be realized in a single fiber without significant interference. Details of NIST’s up-conversion QKD research are available at http://w3.antd.nist.gov/quin.shtml.
Penelitian Toshiba mengumumkan hari ini bahwa mereka telah mengembangkan dua teknologi baru untuk mengatasi distribusi kunci kuantum (DKK) aman nir-kondisi ‘unconditionally secure’ . Untuk mencapai hal ini, Toshiba melakukan riset untuk mengatasi loophole keamanan yang potential pada sistem DKK saat ini. Bagian dari teknologi ini telah dipamerkan pada pameran Nano Tech 2007 di Tokyo.
Pada prinsipnya, DKK menyediakan keamanan yang absolut dalam pengiriman kunci rahasia antar dua orang (two parties) pada jaringan fiber optik. Akan tetapi sistem DKK yang telah dikembangkan sampai saat ini memiliki sebuah vulnerabilitas yang sangat terbuka untuk di hack. Dioda laser arus lemah (weak laser diode) yang digunakan untuk membangkitkan pulsa-pulsa foton tunggal yang akan membawa kunci kuantum, kadang akan membangkitkan pulsa-pulsa multi-foton.
Sebagai akibatnya, seorang hacker/mata-mata mampu memecahkan (split off) satu dari foton ekstra ini dan kemudian mengukurnya, sementara itu membiarkan pulsa foton yang lain tanpa terganggu, sehingga pemastian bagian dari kunci tetpa tidak terdeteksi. Selanjutnya, seorang hacker mampu menemukan kunci keseluruhan, dengan cara memblok pulsa foton tunggal dan mengizinkan hanya pulsa multi-foton yang lewat akan leat jalur fiber optik.
Dua solusi untuk masalah ini telah ditemukan, yang pertama seperti yang telah diimplementasikan oleh Toshiba pada sistem DKK-nya.
Toshiba telah mengimplementasikan sebuah metode baru DKK, yaitu melalui proses “interspersed” pada pulsa foton-tunggal secara acak dengan sejumlah “decoy pulses”. Pulsa-pulsa decoy ini lebih lemah umumnya dan sangat jarang memuat dua atau lebih foton. Jika seorang hacker berusaha melakukan serangan “pulse-splitting”, dia akan mengirimkan suatu fraksi pulsa decoy ini ‘lebih rendah’ ketimbang pulsa-pulsa sinyal. Jadi, melalui pemonitoran transmisi pulsa decoy dan sinyal secara terpisah, cara intervensi di atas dapat dideteksi.
Dengan pengenalan pulsa decoy, pulsa laser yang lebih kuat dapat digunakan secara aman, dan meningkat laju pada saat pengiriman kunci. Toshiba telah mendemokan peningkatan 100 kali lebih cepat laju pengiriman kunci secara aman pada fiber optik 25 km pada rata-rata bit rate 5.5kbits/sec – nilai tertinggi untuk suatu sistem DKK penuh.
(This work is part of the EU initiative SECOQC to build a secure communication network based on QKD.)
“Dengan metode baru ini kita dapat mensitribusikan kunci rahasia lebih banyak per detiknya, sedangkan pada saat yang sama menjamin keamanan nir-kondisional masing-masing. Metode ini memungkinkan DKK dapat digunakan untuk sejumlah aplikasi-aplikasi penting, seperti enskripsi link-link data bandwidth tinggi,” kata Dr Andrew Shields, Quantum Information Group Leader at Toshiba Research Europe.
Metode kedua, berbasis teknologi nano, akan menghasilkan bit rates lebih tinggi pada masa depan. Toshiba telah menciptakan dioda semikonduktor pertama yang dapat dikontrol oleh input sinyal elektrik untuk mengemisi hanya foton-foton tunggal pada panjang gelombang yang kompatibel dengan fiber optik. Sumber foton tunggal ini mengeliminir masalah pulsa multi-foton satu sama lain. (It was developed as part of a DTI funded programme involving the University of Cambridge, Imperial College London and Toshiba)
Diode foton tunggal memiliki struktur mirip LED semikonduktor biasa, bedanya ia memuat suatu ‘dot’ kuantum semikondukor yang tipis, diameter 45 nm dan tebal 10 nm. Dot hanya dapat memuat beberapa elektron dan sehingga hanya dapat mengemisi satu foton pada panjang gelombang yang dipilih. Sumber foton beroperasi hanya dengan sinyal elektrik, merupakan esensi bagi aplikasi-aplikasi praktis seperti DKK. Pengujian awal dengan devais baru yan telah dipublikasikan di journal Applied Physics Letters, menunjukan laju multi-foton dari devais lima kali lebih rendah ketimbang devais dengan dioda laser pada intensitas yang sama.
“We are now entering the quantum age and we are seeing the first few steps in the development of technologies which will have a profound effect on the development of communications,” the Managing Director of Cambridge Research Laboratory in Toshiba Research Europe, Professor Sir Michael Pepper, said. “Some years ago Toshiba took the decision to invest and build up a team of experts to pursue fundamental research in an industrial setting, this breakthrough as well as the entire development of optically based quantum communications is the result of that decision.”
Kriptografi adalah suatu yang esensial untuk melindungi komuniksi e-business dan e-commerce, memungkinkan, sebagai contoh, kerahasiaan, identifikasi pemakai dan validasi transaksi. Seluruh aplikasi ini terkait dengan kunci digita, yang di- shared antar pemakai yang sah. Sehingga pemeliharan kemampuan untuk mendistribusikan kunci secara aman merupakan satu dari medan tempur yang sangat penting dalam bidang kriptografi. Kemampuan untuk mendistribusikan kunci secara aman antar pemakai adalah sangat penting. Selanjutnya, dalam rangka melindungi sistem dari crypto-analysis penting juga kiranya mengantikan kunci sesering mungkin.
Kuantum kriptografi mngizinkan pemakai pada suatu jaringan fiber optik untuk me’refresh’ sesering mungkin kuncinya dengan cara benar-benar aman, yaitu dengan memanfaat ‘nature’ dari cahaya mirip-partikel. Setiap bit kunci di-encoded pada foton tunggal (partikel cahaya) kemudian dikirim melalui fiber. Karena foton “indivisible’ dan tidak dapat dikopi, hal ini menyakinkan bahawa kunci tidak dapat dicuri.
“Toshiba have developed a quantum key distribution system where the photons travel one way from sender to receiver, the only configuration that has been rigorously proven secure. This was achieved using an active stabilization system, which manages and automatically adjusts the hardware to maintain continuous operation. The result is an efficient, easy-to-use system, which serves keys for crypto applications and requires no user adjustments”
Source: Toshiba
Quantum cryptography using qutrits by ZDNet’s Roland Piquepaille — Physicists from the University of Wien, Austria, are testing quantum cryptography (QC) systems based on qutrits instead of the more common qubits. These qutrits can simultaneously exist in three basic states. This means that QC systems based on qutrits will inherently be more secure.
