Квантовые точки помогли создать «невзламываемое» шифрование

Квантовая криптография с компактными наноустройствами на основе квантовых точек. Автор: Ларс Людер

Физики разработали прорывную концепцию в области квантового шифрования, которая делает частную связь более безопасной на значительно больших расстояниях, превосходя современные технологии. Десятилетиями эксперты полагали, что такое обновление требует идеального оптического оборудования, а именно источников света, строго испускающих одну частицу света (фотон) за раз — что крайне сложно и дорого создать. Но новый подход использует инновационные протоколы шифрования, применяемые к крошечным искусственным материалам, называемым квантовыми точками, для безопасной передачи зашифрованной информации даже с неидеальными источниками света. Реальные тесты показывают, что система может превзойти даже лучшие из существующих, потенциально приближая квантово-безопасную связь к повседневному использованию.

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

Решение 40-летней проблемы в квантовой связи

Четыре десятилетия Святой Грааль квантового распределения ключей (QKD) — науки о создании невзламываемого шифрования с использованием квантовой механики — зависел от одного неуловимого требования: идеально сконструированных источников одиночных фотонов. Это крошечные источники света, способные испускать одну частицу света (фотон) за раз. Но на практике создание таких устройств с абсолютной точностью оказалось чрезвычайно трудным и дорогостоящим.

Чтобы обойти это, область сильно полагалась на лазеры, которые легче производить, но которые не идеальны. Эти лазеры посылают слабые импульсы света, содержащие небольшое, но непредсказуемое количество фотонов — компромисс, который ограничивает как безопасность, так и расстояние, на которое данные могут передаваться безопасно, 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 — субпуассоновскими источниками фотонов на основе квантовых точек, которые представляют собой крошечные полупроводниковые частицы, ведущие себя как искусственные атомы.

Динамически изменяя оптическое поведение этих квантовых точек и сочетая их с наноантеннами, команда смогла настроить то, как испускаются фотоны. Эта тонкая настройка позволила им предложить и продемонстрировать две передовые стратегии шифрования:

• Усечённый 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: Новый метод, который значительно улучшает безопасность сигнала за счёт «фильтрации» избыточных фотонов в реальном времени, гарантируя, что регистрируются только истинные однофотонные биты.

В симуляциях и лабораторных экспериментах эти техники 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.

Тест в реальном мире и шаг к практическим квантовым сетям

Чтобы доказать, что это не просто теория, команда построила реальную систему квантовой связи, используя источник на основе квантовых точек, работающий 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 развёртывания 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-ведущий автор 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».

Квантовые точки — это нанокристаллы полупроводников, свойства которых зависят от их размера. Чем меньше точка, тем больше ширина запрещённой зоны и тем выше энергия испускаемого фотона. Это позволяет точно настраивать цвет их свечения, что уже используется в дисплеях телевизоров QLED. Теперь же их применили для создания более безопасных систем связи.