Universiteit Leiden Universiteit Leiden

Nederlands English

Doorbraak in onkraakbare kwantumencryptie

Een belangrijke ontdekking door Leidse natuurkundigen maakt niet te kraken communicatie tussen meerdere personen mogelijk. Die communicatie kan ook nog complexe informatie betreffen.

Gekoppelde draaiing

Voor het eerst zijn wetenschappers erin geslaagd om vier fotonen te verstrengelen in hun baanimpulsmoment. De Leidse natuurkundige Wolfgang Löffler en zijn collega’s stuurden een laser door een kristal en creëerden zo vier fotonen met een gekoppelde ‘draaiing’. Tot nu was dit alleen gelukt met twee fotonen. Publicatie op 1 februari in Physical Review Letters. 

Grote belofte

Onze huidige computers communiceren met lichtsignalen (fotonen) via glasvezels. Zo'n lichtsignaal is een soort morse-code: aan-uit, aan-uit, wat overeenkomt met de waarde 0 of 1 van een bit. Verstrengeling van fotonen is een grote belofte uit de kwantummechanica, met toepassingen als niet te kraken, veilige communicatie en kwantumcomputing. Als twee fotonen tegelijk worden gecreëerd, zijn ze elkaars spiegelbeeld, zodat hun ‘draaiing’ altijd omgekeerd zal zijn ten opzichte van de ander. Als we bij het ene foton een ‘draaiing’ linksom meten, zal het andere altijd rechtsom ‘draaien’ bij meting met eenzelfde filter. Dit heet verstrengeling. Vóór de meting is de ‘draaiing’ van elk foton nog onbepaald.

Mijlpaal

Deze ‘draaiing’ is een eigenschap van fotonen die Leidse wetenschappers in 1992 ontdekten; in vaktermen heet dit baanimpulsmoment. En deze eigenschap heeft meer dan twee mogelijke waardes. Baanimpulsmoment beslaat een oneindig groot alfabet aan informatie. Hiermee kun je dus veel meer informatie per foton overdragen dan met een fotoneigenschap zoals polarisatie, dat slechts twee mogelijke waardes bevat. In 2001 lukte het voor het eerst om twee fotonen te verstrengelen in baanimpulsmoment. Löffler c.s. maken nu in Physical Review Letters bekend dat ze er als eersten in zijn geslaagd om vier fotonen op deze manier te verstrengelen. Dit biedt veel extra mogelijkheden, zoals het versturen van een niet te kraken boodschap aan meer dan één partij.

Experiment

In hun succesvolle experiment stuurden de onderzoekers korte ultraviolet laserpulsen van twee picoseconde (een biljoenste van een seconde) door een kristal. Hierbij ontstaan af en toe vier verstrengelde fotonen. Dit is erg zeldzaam, maar door 80 miljoen pulsen per seconde te genereren wisten ze toch elke seconde gemiddeld twee zogenoemde fotonviertallen te detecteren. Om te meten dat het ging om vier fotonen die inderdaad verstrengeld zijn in baanimpulsmoment gebruikte het onderzoeksteam een ruimtelijke fasemodulator die deze ‘draaiing’ weer omzet in licht dat zich als een vlakke golf voortbeweegt. Dit ‘gewone’ licht registreerden ze met enkel-foton-detectoren

Headerafbeelding: Leidse natuurkundigen stuurden korte ultraviolet laserpulsen van twee picoseconde door een kristal. Hierbij ontstaan spontaan vier fotonen die zijn verstrengeld in hun baanimpulsmoment—hier uitgebeeld door de roodblauwe spiralen. De regenboogkleurige cirkels stellen de fase (kleur) en intensiteit (helderheid) voor van een dwarsdoorsnede van het foton.