互联网上充斥着高度敏感的信息。复杂的加密技术通常确保这些内容不会被拦截和读取。但在未来，高性能量子计算机可以在几秒钟内破解这些密钥。因此，量子力学技术不仅能使新的、更快的算法成为可能，而且还能使极其有效的密码术成为可能。

量子密钥分发(QKD)——正如行话所说——对通信通道的攻击是安全的，但对设备本身的攻击或操作却不安全。因此，这些设备可以输出一个制造商之前保存的密钥，并可能被转发给黑客。对于与设备无关的QKD(缩写为DIQKD)，情况就不同了。在这里，加密协议与所使用的设备无关。自20世纪90年代以来，这种方法在理论上就为人所知，现在由新加坡国立大学(NUS)的物理学家哈拉尔德·温福特(Harald Weinfurter)和查尔斯·林(Charles Lim)领导的一个国际研究小组首次在实验上实现了。

对于交换量子力学密钥，有不同的方法。要么光信号由发射器发送到接收器，要么使用纠缠量子系统。在目前的实验中，物理学家使用两个量子机械纠缠的铷原子，位于LMU校园内相距400米的两个实验室中。这两个地点通过一条700米长的光纤电缆连接起来，这条光缆穿过主楼前的Geschwister Scholl广场的地下。

为了制造纠缠，科学家们首先用激光脉冲激发每个原子。在这之后，原子自发地回到它们的基态，从而每个原子发射一个光子。由于角动量守恒，原子的自旋与其发射光子的偏振纠缠在一起。两个光粒子沿着光纤传输到接收站，在接收站对光子的联合测量表明原子量子记忆发生了纠缠。

为了交换密钥，爱丽丝和鲍勃——这是密码学家通常给双方取的名字——测量各自原子的量子态。在每种情况下，这是在两个或四个方向上随机进行的。如果方向一致，由于纠缠，测量结果是相同的，可以用来生成密钥。用其他的测量结果，一个所谓的贝尔不等式可以被评估。物理学家约翰·斯图尔特·贝尔最初开发这些不等式是为了测试自然界是否可以用隐藏变量来描述。“事实证明这是不可能的，”Weinfurter说。在DIQKD中，该测试被“专门用于确保设备上没有操作——也就是说，例如，隐藏的测量结果没有事先保存在设备中，”Weinfurter解释道。

与早期的方法相比，由新加坡国立大学的研究人员开发的实现的协议使用两个测量设置来生成密钥，而不是一个:“通过引入额外的密钥生成设置，拦截信息变得更加困难，因此协议可以容忍更多的噪声，甚至为低质量的纠缠状态生成密钥，”Charles Lim说。

相比之下，使用传统的QKD方法，只有在使用的量子设备被充分地表征时，安全性才能得到保证。“因此，这种协议的用户必须依赖QKD提供者提供的规范，并相信设备在密钥分发过程中不会切换到另一种工作模式，”Tim van Leent解释说，他是该论文的四位主要作者之一，与张伟和凯·雷迪克一起。van Leent继续说，早在十年前，人们就知道老式的QKD设备很容易被外部入侵。

“有了我们的方法，我们现在可以用没有特征的、可能不值得信任的设备生成密钥，”Weinfurter解释道。事实上，他一开始就怀疑这个实验是否可行。但他的团队证明了他的担忧是没有根据的，并显著提高了实验的质量，他高兴地承认。在LMU和NUS的合作项目中，来自牛津大学的另一个研究小组演示了与设备无关的密钥分发。为了做到这一点，研究人员在同一个实验室中使用了一个包含两个纠缠离子的系统。“这两个项目为未来的量子网络奠定了基础，在这个网络中，在遥远的地点之间绝对安全的通信是可能的，”查尔斯·利姆说。

下一步的目标之一是将该系统扩展到包含多个纠缠原子对。van Leent说:“这将允许产生更多的纠缠态，从而提高数据速率，最终提高密钥的安全性。”此外，研究人员还希望增加测量范围。在目前的设置中，在实验室之间的光纤中损失了大约一半的光子。在其他实验中，研究人员能够将光子的波长转换为适合于电信的低损耗区域。通过这种方式，只需要一点额外的噪音，他们成功地将量子网络连接的范围增加到33公里。

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