华沙大学物理系的研究团队在城市基础设施中成功开发并测试了一种新颖的量子密钥分发（QKD）系统，该系统利用了1836年提出的时间塔博效应（temporal Talbot effect）原理，并结合了高维编码技术，为构建QKD系统提供了一种更简洁、更易于扩展的解决方案。
该研究的核心是量子密钥分发技术，通过单光子在通信双方之间建立安全加密密钥。传统QKD依赖于量子比特（qubits），但更复杂的应用需要多维编码，即利用能表示多个值的更复杂量子态。华沙大学团队专注于光子的时域叠加态，其中一个光子可以同时处于早期和晚期状态的叠加中。探测单个光子在这样的叠加态中的时间会产生一个随机结果，从而将信息编码到光波的相位中。时间塔博效应描述了光通过衍射光栅后在特定距离处周期性重现的经典物理光学现象，该效应在时间维度上同样存在，表现为一系列光脉冲在色散介质中传播时产生周期性的时间重现。
研究团队使用现成的商用组件构建了一个实验性的四维QKD系统。其关键创新在于，该系统仅需一个单光子探测器即可探测多个脉冲的叠加态，无需复杂的干涉仪网络，从而显著降低了系统的复杂性和成本，并且无需对接收器进行耗时且独立的时间校准。与依赖多干涉仪设置且效率低下、需要精确校准的传统方法不同，该新方法效率高，所有光子探测事件都有用，尽管测量误差率相对较高。研究人员与量子密码学理论家合作证实，这些误差并不影响QKD的安全性。
该方法的一大优势在于，无需改变硬件或进行接收器稳定，即可探测二维和四维叠加态，这比早期技术有了巨大进步。研究人员在实验室光纤和华沙大学数公里长的光纤网络中测试了该系统的安全性，并成功演示了二维和四维编码的QKD，证实了高维编码更高的信息效率。虽然QKD的理论安全性是一个主要优势，但许多QKD协议的标准描述存在不完整性，这是一个新方法也可能存在的安全漏洞。通过与意大利和德国的QKD安全证明专家合作，该团队开发了一种改进的接收器，该接收器能够收集更多数据并消除这一安全缺陷。新协议的安全证明已发表在《Physical Review Applied》上，研究人员正在讨论其在实验中的应用。
高维编码在量子信息处理中比二元编码具有更大的优势，能够提高信息传输效率并增强对噪声的抵抗能力。在高维QKD中，例如在探测器或光源存在限制时，能够实现更高的密钥生成速率，并具有更大的容错能力。研究表明，高维编码在信息容量和抗噪声能力方面优于传统的二元编码，这对于在复杂城市网络环境中实现安全通信尤为重要。时间塔博效应在量子领域的应用为高维编码提供了新思路，使得研究人员能够利用光子的时域特性编码更多信息，从而构建更强大、更具扩展性的量子密码系统。这项研究成果预示着更安全、更高效的未来通信网络。
该研究团队的负责人是华沙大学量子光子学实验室主任Michał Karpiński博士。该团队与意大利和德国的专家合作，解决了QKD协议中的安全漏洞问题，相关研究成果已发表在《Physical Review Applied》上。