サイバー攻撃が激化する現代において、安全な情報伝送技術の開発は喫緊の課題であり、量子暗号はその有望な解決策として注目されています。この量子技術は、単一光子を利用して堅牢な暗号鍵を生成します。ワルシャワ大学物理学部（University of Warsaw）の研究チームは、都市インフラ内での量子鍵配送（QKD）のための新しいシステムの開発と試験に成功しました。彼らのアプローチは、1836年に初めて提唱された時間的タルボ効果（temporal Talbot effect）に着想を得た高次元エンコーディングを活用しています。この手法は、既存の技術と比較してQKDシステムの構築を簡素化し、より拡張性の高いものにします。
ワルシャワ大学量子フォトニクス研究所のミハル・カルピンスキ博士は、研究の中心が、2者間で安全な暗号鍵を作成するために単一光子を用いる技術である量子鍵配送にあると説明しました。従来のQKDは最も単純な量子情報単位であるキュービット（qubit）を使用しますが、より高度な応用には多次元エンコーディングが必要です。研究者たちは現在、キュービットの二進法的結果を超えて、複数の値表現できるより複雑な量子状態を模索しています。量子フォトニクス研究所では、光子の時間ビン重ね合わせ（time-bin superpositions）に焦点を当てており、これにより光子は複数の過去と未来の状態に同時に存在します。このような重ね合わせ状態にある単一光子の検出時間はランダムな結果をもたらし、光波の位相に情報をエンコードします。
研究チームは、タルボ効果（Talbot effect）から着想を得ました。これは古典光学現象であり、周期的な回折格子を通過した光が、一定の間隔で再出現するというものです。この効果は、光ファイバーのような分散媒質を伝播する一連の光パルスに時間的にも発生します。この時空間のアナロジーにより、タルボ効果を単一光子に適用することが可能になり、量子状態の分析と処理に新たな道が開かれます。
ワルシャワ大学の研究チームは、市販の汎用コンポーネントを用いて、実験的な4次元QKDシステムを設計しました。重要な革新点は、複雑な干渉計ネットワークを必要とせず、単一の光子検出器で複数のパルスの重ね合わせを検出できることです。これにより、測定システムの複雑さとコストが大幅に削減されます。さらに、この新しい方法は、受信機の別途、時間のかかる校正を不要にします。従来の多くの方法では、位相差を検出するために複数の干渉計セットアップが使用されていましたが、これは非効率的で精密な校正を必要とします。ワルシャワ大学の方法は、すべての光子検出イベントが有用であるため、高い効率を誇りますが、測定誤差率は比較的高いという課題も存在します。
しかし、これらの誤差は、研究者たちが量子暗号理論家と協力して確認したように、QKDの実行を妨げるものではありません。ハードウェアの変更や受信機の安定化なしに2次元および4次元の重ね合わせの両方を検出できる能力は、以前の技術に対する大幅な進歩です。システムのセキュリティは、実験室の光ファイバーおよびワルシャワ大学の数キロメートルにわたる光ファイバーインフラストラクチャでテストされました。
研究者たちは、同じ送信機と受信機を使用して2次元および4次元エンコーディングによるQKDを実証し、高次元エンコーディングの高い情報効率を確認しました。QKDの理論的なセキュリティは、基本的な仮定の下で証明可能であるという大きな利点があります。しかし、多くのQKDプロトコルの標準的な記述には不備があることが判明しており、この新しい方法も同様の脆弱性を共有しています。イタリアおよびドイツの研究グループと協力し、チームはこの脆弱性に対処しました。より多くのデータを収集するための受信機の改良が開発され、セキュリティ上の欠陥が解消されました。新しいプロトコルのセキュリティ証明は「Physical Review Applied」に掲載され、研究者たちはその実験への応用について議論しています。この進歩は、都市環境におけるデータ伝送のセキュリティを強化する可能性のある、量子暗号の実装に向けた重要な一歩となります。高次元エンコーディングは、従来の二値エンコーディングと比較して、情報効率を高め、ノイズに対する耐性を向上させることが示されています。タルボ効果は、1836年にヘンリー・フォックス・タルボットによって初めて発見された回折現象であり、周期的な構造が特定の距離で自己複製する性質を持ちます。この現象は、量子暗号システムにおける高次元エンコーディングの基盤として利用されています。