200-летний оптический эффект Талбота использовали для квантового шифрования

Исследователи из Варшавского университета разработали новую систему квантового распределения ключей (QKD), используя для этого классический оптический эффект Талбота, открытый в 1836 году. Система была протестирована в городских оптоволоконных сетях.

В отличие от традиционных систем, использующих кубиты, новый подход применяет многомерное кодирование, где фотоны находятся в суперпозиции нескольких временных интервалов («раньше» и «позже»).

«Наше исследование сосредоточено на квантовом распределении ключей — технологии, которая использует отдельные фотоны для установки защищённого криптографического ключа между двумя сторонами», — говорит доктор Михал Карпиньский, руководитель Лаборатории квантовой фотоники.

Эффект Талбота, при котором свет, проходя через дифракционную решётку, «возрождается» на определённом расстоянии, был адаптирован для работы во временной области с короткими импульсами света, включая одиночные фотоны.

«Благодаря пространственно-временной аналогии в оптике мы можем применить эффект Талбота к коротким световым импульсам, включая одиночные фотоны, — тем самым получая новые возможности для анализа и обработки квантовых состояний», — объясняет аспирант Мацей Огродник.

Ключевое преимущество новой системы — её простота. Для регистрации суперпозиций требуется всего один детектор фотонов вместо сложной сети интерферометров, что снижает стоимость и упрощает настройку. Система способна работать с двух- и четырёхмерным кодированием без изменения аппаратной части.

«Преимущество нашего метода — его высокая эффективность, так как все события обнаружения фотонов полезны. Недостаток — относительно высокие показатели ошибок измерения. Однако они не препятствуют QKD», — добавляет аспирант Адам Видомски.

Система была протестирована в лаборатории и в существующей оптоволоконной сети университета на расстоянии в несколько километров. Для обеспечения безопасности протокола исследователи сотрудничали с экспертами из Италии и Германии.

Работа выполнена в рамках международной программы QuantERA по квантовым технологиям. Квантовая криптография считается одним из самых перспективных направлений для создания защищённых каналов связи, устойчивых к взлому даже с помощью квантовых компьютеров.