在光纖中數百萬光子中脫穎而出是很困難的——特別是當你是單個光子的時候。正因如此，將訊號編碼成一系列單個光子的超安全量子加密系統迄今未能搭載在現有的電信線路上。但現在，物理學家使用一種探測微弱光訊號的技術，在90公里嘈雜的光纖中傳輸了一個量子金鑰。這一壯舉可能會使量子密碼學最終進入主流應用。
你不能在不明顯擾動的情況下測量量子系統。這意味著兩個人可以將加密金鑰——例如用於銀行轉賬——編碼成一系列光子並安全地共享，任何竊聽者都會觸發系統的警報。但是，此類系統一直無法在電信線路上傳輸金鑰，因為其他資料流量會淹沒編碼訊號。因此，量子密碼學僅具有小眾應用，例如使用昂貴的“暗”光纖將辦公室連線到附近的備份站點，而這些光纖不承載其他訊號。“這確實是量子密碼學的瓶頸，”瑞士日內瓦量子密碼公司ID Quantique的科學顧問、物理學家尼古拉斯·吉辛說。
物理學家試圖透過在一種特徵波長的“量子通道”上透過共享光纖傳送光子來解決這個問題。問題在於，光纖會將正常資料流量中的光散射到該波長中，從而用雜散光子汙染量子通道。英國東芝劍橋研究實驗室的物理學家安德魯·希爾茲和他的同事現在開發了一種探測器，該探測器僅當光子在精確的瞬間擊中它時才從該通道中選出光子，該瞬間是根據編碼光子傳送的時間計算出來的。該團隊在《物理評論X》上發表了其結果。
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恰逢其時
希爾茲解釋說，設計一個具有如此精確時間焦點的探測器是困難的。標準探測器使用半導體器件，當單個光子擊中時，會產生雪崩式的電荷。但是，雪崩通常需要超過一納秒（10-9秒）才能增長到足夠大，以在探測器的內部電氣噪聲中脫穎而出——遠長於從人群中過濾單個光子所需的100皮秒（10-10秒）的窄視窗。
該團隊的“自微分”探測器每納秒啟用100皮秒。在這種短間隔內由光子撞擊觸發的微弱電荷通常不會突出顯示，但探測器會測量一個操作週期內記錄的訊號與前一個週期（當不太可能檢測到匹配光子時）的訊號之間的差異。這會消除背景噪聲。使用該裝置，該團隊已在90公里長的光纖中傳輸了一個量子金鑰，該光纖還在兩個方向上以每秒10億位元的速度傳輸了嘈雜的資料——這是電信光纖的典型速率。該團隊現在打算在真正的電信線路上測試該技術。
吉辛的團隊獨立開發了一種具有類似時間視窗的光子探測器，他們在9月份在新加坡量子技術中心的QCrypt 2012會議上展示了該探測器。然而，吉辛計算出這種技術不能用於傳輸超過100公里的大城市的量子訊號。散射會隨著距離的增加而累積，因此最終會有太多的雜散光子，即使使用精確計時的探測器也無法將其濾除。
儘管如此，馬德里理工大學的物理學家維森特·馬丁說，90公里是“一個世界紀錄，是在展示量子密碼學在現實世界電信基礎設施中的適用性方面邁出的一大步”。