ポーランドで四次元で量子カギ配信

November, 21, 2025, Washington--約2世紀前に発見された光学効果は、現代の量子暗号で役割を果たす可能性がある。
ポーランドに拠点を置く研究者は、2次元および4次元での時間位相量子鍵配布(QKD)エンコードの新しい方法をテストした(Opt. Quantum、doi:10.1364/OPTICAQ.560373)。いわゆるタルボット(Talbot)効果に触発され、科学者たちは空間ではなく時間内に展開し、いつかフォトニックチップに収まる可能性のあるシングルフォトン検出器などの単純なコンポーネントを使用した。

タルボット効果
1836年、写真家のHenry fox Talbotは、光の平面波が周期的な回折格子を通過すると、光がデバイスから一定の距離で格子の画像を繰り返すことを発見した。小さなサブ画像はその距離のほんの一部に表示され、縮小し続けるグレーティング画像のフラクタル「タルボットカーペット」を作成する。

最近では、平面波を光パルス列に置き換えることにより、科学者たちは空間ではなく時間の中でタルボット効果を実験している。光ファイバなどの分散媒体を伝搬するパルス列は、等間隔のパルスのタイムビン重ね合わせを作成する。

量子暗号への応用
ほとんどのQKDシステムは、2次元状態の重ね合わせであり、1ビットの情報を運ぶ量子ビットを採用している。光子により多くの情報を運ばせるために、科学者たちは「qudits」、つまりdが整数に等しいd次元量子状態を実験してきた。しかし、提案された高次元のQKDスキームは、量子ビットベースの手法よりも複雑である。

昨年、ワルシャワ大学のAdam Widomski、Maciej Ogrodnik、Michał Karpińskiは、時間分解光子検出器が時間的タルボット効果を使用して多次元重ね合わせをどのように拾うことができるかを実証した(Optica、doi:10.1364/OPTICA.503095)。現在の実験では、3人とその同僚は実験室に送信者(「Alice」)と受信者(「Bob」)を設置し、ファイバスプールを介して、またはワルシャワのダウンタウンにある大学のダークファイバネットワーク内の13kmのリンクを介して信号を送信した。

「Alice」にパワーを供給する光は、通常の通信波長1560nmで動作する連続波レーザから来ており、パルスはマッハツェンダー変調器(MZM)と位相変調器によって生成される。「Bob」の端では、超伝導単一光子検出器が時間領域測定を提供した。分散補償モジュールは、時間的タルボット効果に群遅延分散を提供した。

実験では、安全な伝送のために実績のあるBB84 QKDプロトコルを使用し、量子ビットエラー率がわずかに高いにもかかわらず、4次元qudit(または「ququart」)が量子ビットよりも優れていることを示した。イタリアとドイツの追加の研究者が、ワルシャワのQKDセットアップのセキュリティをテストした。

「われわれの方法の利点は、すべてのフォトン検出イベントが有用であるため、その効率が高いことである。欠点は、測定エラー率が比較的高いことだ」とWidomskiはコメントしている。「しかし、これらはQKDを妨げるものではない…さらに、重ね合わせの異なる次元に合わせてセットアップを再構築する必要はなく、ハードウェアを変更したりレシーバを安定させたりすることなく、2Dおよび4Dの重ね合わせを検出できる。これは、以前の方法と比較して大きな利点だ。」