По мере развития цифровых коммуникаций и увеличения числа киберугроз исследователи разрабатывают новые методы безопасной передачи данных. Одним из наиболее перспективных направлений считается квантовая криптография, в которой для создания ключей шифрования используются отдельные фотоны. Группа специалистов с физического факультета Варшавского университета разработала и испытала новую систему квантового распределения ключей (QKD), применяя её в существующих городских волоконно-оптических сетях. В основе их подхода лежит многомерное кодирование и использование оптического эффекта, известного как эффект Талбота.

Квантовое распределение ключей и многомерное кодирование

Квантовое распределение ключей (QKD) — технология, позволяющая с помощью одиночных фотонов устанавливать защищённый криптографический ключ между двумя сторонами. Традиционно для этого применяются кубиты — простейшие единицы квантовой информации, которые дают один из двух возможных результатов измерения. Однако для более сложных задач разрабатываются методы многомерного кодирования, где используются квантовые состояния, способные принимать несколько значений. В лабораторных условиях исследуются суперпозиции временных бинов фотонов, когда фотон может существовать как комбинация состояний «рано» и «поздно». Информация при этом кодируется в фазовом соотношении между световыми импульсами, а точное время обнаружения фотона определяется случайно. Ранее эффективно фиксировались только суперпозиции двух импульсов, теперь же исследуются случаи с большим числом временных бинов — от двух до четырёх и более.

Применение эффекта Талбота

В своей работе команда использовала эффект Талбота — классическое оптическое явление, впервые описанное в 1836 году. При прохождении света через дифракционную решётку его изображение периодически повторяется на определённых расстояниях. Этот эффект проявляется не только в пространстве, но и во времени, если регулярная последовательность световых импульсов распространяется в дисперсионной среде, такой как оптоволокно. Применяя этот эффект к последовательностям световых импульсов, включая одиночные фотоны, удалось создать систему, в которой сигналы могут самовосстанавливаться во времени при прохождении через оптоволокно. Характер наложения и интерференции импульсов зависит от их фазы, что позволяет различать и измерять различные квантовые состояния.

Особенности конструкции и преимущества

Экспериментальная система QKD, построенная исследователями, способна работать в четырёх измерениях и собрана из коммерчески доступных компонентов. Для регистрации суперпозиций множества импульсов требуется только один фотонный детектор, что упрощает конструкцию и снижает стоимость по сравнению с традиционными системами, где используется сложная сеть интерферометров. Такой подход также устраняет необходимость в частой и точной калибровке приёмника.

В традиционных схемах для обнаружения фазовых различий между импульсами применяется многоинтерферометрическая система, где часть результатов измерений оказывается бесполезной, а эффективность падает с увеличением числа импульсов. Новый метод отличается высокой эффективностью, поскольку все события детекции фотонов используются. Несмотря на относительно высокую вероятность ошибок измерения, это не мешает работе QKD, как показали совместные исследования с теоретиками квантовой криптографии. Кроме того, система не требует перенастройки для работы с разными размерами суперпозиций — можно фиксировать 2D- и 4D-суперпозиции без изменения аппаратуры или стабилизации приёмника.

Испытания и вопросы безопасности

Система была протестирована как в лабораторных условиях, так и в реальной волоконной сети Варшавского университета на нескольких километрах. Новый метод, основанный на временном эффекте Талбота, позволил продемонстрировать QKD с двух- и четырёхмерным кодированием, используя один и тот же передатчик и приёмник. Несмотря на ошибки, присущие экспериментальному подходу, результаты подтвердили более высокую информационную эффективность системы благодаря многомерному кодированию.

Квантовое распределение ключей ценится за доказуемую безопасность при определённых предположениях. Для проверки надёжности подхода был проведён анализ совместно с зарубежными специалистами по безопасности QKD. Выяснилось, что стандартное описание многих QKD-протоколов неполно, чем могут воспользоваться злоумышленники. Новый метод также подвержен этой уязвимости, однако модификация приёмника позволяет собирать больше данных и устранять проблему. Доказательство безопасности нового протокола опубликовано, и в последней работе обсуждается его применение к эксперименту.

Перспективы развития квантовой фотоники

Помимо демонстрации нового метода связи, проект способствовал развитию компетенций в области квантовой фотоники в Варшавском университете. Работа выполнялась в рамках международной программы QuantERA по квантовым технологиям при координации Национального научного центра Польши, а также с использованием ресурсов Национальной лаборатории фотоники и квантовых технологий на физическом факультете университета.