Новый прорыв в квантовой криптографии: безопасная связь с неидеальными источниками света

Квантовая криптография с компактными наноустройствами на основе квантовых точек с высокой скоростью генерации одиночных фотонов. Автор: Ларс Людер

Команда физиков из Еврейского университета в Иерусалиме совершила прорыв, который может приблизить повседневное использование безопасной квантовой связи — без необходимости в безупречном оборудовании.

Исследование, проведенное аспирантами Ювалем Блумом и Йоадом Орданом под руководством профессора Ронена Рапапорта из Института физики Рака в сотрудничестве с исследователями из Национальных лабораторий Лос-Аламоса и опубликованное в PRX Quantum, представляет новый практический подход, значительно улучшающий передачу квантово-зашифрованной информации с использованием частиц света — даже при использовании неидеального оборудования.

В течение четырех десятилетий священный грааль квантового распределения ключей (QKD) — науки о создании невзламываемого шифрования с помощью квантовой механики — зависел от одного неуловимого требования: идеально сконструированных источников одиночных фотонов. Это крошечные источники света, которые могут излучать одну частицу света (фотон) за раз. Но на практике создание таких устройств с абсолютной точностью оказалось чрезвычайно сложным и дорогостоящим.

Чтобы обойти эту проблему, область в значительной степени полагалась на лазеры, которые легче производить, но которые не являются идеальными. Эти лазеры посылают слабые импульсы света, содержащие небольшое, но непредсказуемое количество фотонов — компромисс, который ограничивает как безопасность, так и расстояние, на котором данные могут безопасно передаваться, поскольку умный перехватчик может «украсть» биты информации, закодированные одновременно на более чем одном фотоне.

Лучший способ с неидеальными инструментами

Блум, Ордан и их команда перевернули ситуацию. Вместо того чтобы ждать идеальных источников фотонов, они разработали два новых протокола, которые работают с тем, что у нас есть сейчас — суб-пуассоновскими источниками фотонов на основе квантовых точек, которые представляют собой крошечные полупроводниковые частицы, ведущие себя как искусственные атомы.

Динамически управляя оптическим поведением этих квантовых точек и сочетая их с наноантеннами, команда смогла настроить процесс излучения фотонов. Эта точная настройка позволила им предложить и продемонстрировать две передовые стратегии шифрования:

• Усеченный протокол состояния-приманки: Новая версия широко используемого подхода к квантовому шифрованию, адаптированная для неидеальных источников одиночных фотонов, которая отсеивает потенциальные попытки взлома из-за многофотонных событий.
• Протокол очистки с оповещением (heralded purification): Новый метод, который значительно улучшает безопасность сигнала путем «фильтрации» избыточных фотонов в реальном времени, гарантируя, что регистрируются только истинные однофотонные биты.

В симуляциях и лабораторных экспериментах эти методы превзошли даже лучшие версии традиционных лазерных методов QKD — увеличив расстояние, на котором можно безопасно обмениваться ключом, более чем на 3 децибела, что является существенным скачком в этой области.

Реальный тест и шаг к практическим квантовым сетям

Чтобы доказать, что это не просто теория, команда создала реальную установку для квантовой связи с использованием источника на квантовых точках, работающего при комнатной температуре. Они запустили свою новую усиленную версию известного протокола шифрования BB84 — основы многих систем квантового распределения ключей — и показали, что их подход не только осуществим, но и превосходит существующие технологии.

Более того, их подход совместим с широким спектром квантовых источников света, потенциально снижая стоимость и технические барьеры для развертывания квантово-безопасной связи в больших масштабах.

«Это значительный шаг к практическому, доступному квантовому шифрованию», — сказал профессор Рапапорт. — «Это показывает, что нам не нужно идеальное оборудование для получения исключительной производительности — нам просто нужно быть умнее в том, как мы используем то, что у нас есть».

Со-автор исследования Юваль Блум добавил: «Мы надеемся, что эта работа поможет открыть дверь к реальным квантовым сетям, которые являются одновременно безопасными и доступными. Круто то, что нам не нужно ждать, это можно реализовать с тем, что уже есть во многих лабораториях по всему миру».

Больше информации: Yuval Bloom et al, Decoy-State and Purification Protocols for Superior Quantum Key Distribution with Imperfect Quantum-Dot-Based Single-Photon Sources: Theory and Experiment, PRX Quantum (2025). DOI: 10.1103/7fdd-m92n

Источник: Hebrew University of Jerusalem