В условиях ускорения развития цифровых коммуникаций и роста киберугроз исследователи работают над разработкой более безопасных способов передачи информации. Одним из наиболее перспективных подходов является квантовая криптография, использующая отдельные фотоны для генерации ключей шифрования. Исследовательская группа с физического факультета Варшавского университета создала и протестировала новую систему квантового распределения ключей (QKD) в существующих городских волоконно-оптических сетях. Их подход использует многомерное кодирование и основан на хорошо известном оптическом явлении, называемом эффектом Талбота. Результаты были опубликованы в журналах Optica Quantum, Optica и Physical Review Applied.
«Наши исследования сосредоточены на квантовом распределении ключей (КДК) — технологии, использующей одиночные фотоны для установления надежного криптографического ключа между двумя сторонами», — говорит доктор Михал Карпинский, руководитель Лаборатории квантовой фотоники физического факультета Варшавского университета. «Традиционно в КДК используются так называемые кубиты — простейшие единицы квантовой информации. Хотя этот метод уже хорошо проверен, он не всегда отвечает требованиям более сложных приложений. Поэтому исследователи сейчас работают над многомерным кодированием. Вместо кубитов, которые дают один из двух результатов измерения, мы используем более сложные квантовые состояния, которые могут принимать несколько значений».
В лаборатории ученые изучают суперпозиции фотонов во временных интервалах. В этих состояниях фотон регистрируется не просто как прибывший «раньше» или «позднее», а как комбинация обеих возможностей. Точное время регистрации является случайным, а информация кодируется в фазовом соотношении между этими световыми импульсами.
«До сих пор было возможно эффективное обнаружение суперпозиций двух импульсов — более раннего и более позднего. Мы пошли еще дальше: нас интересуют случаи с большим количеством временных интервалов, от двух до четырех и даже больше», — добавляет доктор Карпинский.
Использование эффекта Талбота в квантовой связи
Команда обратилась к эффекту Талбота, классическому оптическому явлению, впервые описанному в 1836 году Генри Фоксом Талботом.
«Когда свет проходит через дифракционную решетку, его изображение повторяется через равные промежутки времени — как будто оно «оживает» на определенном расстоянии. Интересно, что тот же эффект наблюдается не только в пространстве, но и во времени, при условии, что регулярная последовательность световых импульсов распространяется в дисперсионной среде, такой как оптическое волокно», — объясняет Мацей Огродник, аспирант физического факультета Вашингтонского университета.
Применив этот эффект к последовательностям световых импульсов, включая одиночные фотоны, исследователи создали систему, в которой сигналы могут эффективно перестраиваться во времени по мере распространения по оптическому волокну. Способ перекрытия и интерференции этих импульсов зависит от их фазы, что позволяет идентифицировать и измерять различные квантовые состояния.
«Благодаря аналогии пространства-времени в оптике мы можем применять эффект Тальбота к коротким световым импульсам, включая одиночные фотоны, — тем самым получая новые возможности для анализа и обработки квантовых состояний. В нашем случае последовательность световых импульсов действует как дифракционная решетка и может «самовосстановление» во времени под действием дисперсии после прохождения некоторого расстояния в оптическом волокне. Более того, способ интерференции импульсов зависит от их фазы, что позволяет нам обнаруживать различные типы суперпозиций».
Упрощенная конструкция системы квантового распределения ключей.
Исследователи создали экспериментальную систему квантового распределения ключей, способную работать в четырех измерениях.
«Важно отметить, что вся установка построена с использованием коммерчески доступных компонентов. Ключевая особенность заключается в том, что для регистрации суперпозиций множества импульсов системе требуется всего один фотонный детектор, а не сложная сеть интерферометров», — говорит Адам Видомски, аспирант физического факультета Вашингтонского университета.
Такая конструкция значительно снижает как стоимость, так и техническую сложность. Она также устраняет необходимость в частой и точной калибровке приемника, что является серьезной проблемой в традиционных системах.
«Традиционно для обнаружения фазовых различий между импульсами мы используем многоинтерферометрическую схему — что-то вроде дерева, где импульсы разделяются и задерживаются. К сожалению, такие системы неэффективны, поскольку некоторые результаты измерений бесполезны. Эффективность снижается с увеличением числа импульсов, а приемник требует точной калибровки и стабилизации», — объясняет Огродник.
«Преимущество нашего метода заключается в его высокой эффективности, поскольку все события обнаружения фотонов являются полезными. Недостатком является относительно высокая частота ошибок измерения. Однако это не препятствует квантовому распределению ключей, как мы показали в сотрудничестве с исследователями, работающими над теорией квантовой криптографии. Кроме того, нам не нужно перестраивать установку для разных размерностей суперпозиций — мы можем обнаруживать 2D и 4D суперпозиции без изменения оборудования или стабилизации приемника. Это огромное преимущество по сравнению с более ранними методами», — добавляет Видомски.
Тестирование в реальных условиях и улучшения в области безопасности
Система была протестирована как в лабораторных условиях на оптоволоконных сетях, так и в существующей оптоволоконной сети Варшавского университета на протяжении нескольких километров.
«Благодаря новому методу, использующему временной эффект Талбота, мы успешно продемонстрировали квантовое распределение ключей с двухмерным и четырехмерным кодированием, используя один и тот же передатчик и приемник. Несмотря на ошибки, присущие простому экспериментальному подходу, наши результаты подтверждают более высокую информационную эффективность системы, достигаемую за счет многомерного кодирования», — говорит Видомски.
Квантовое распределение ключей ценится за доказуемую безопасность при определенных допущениях. Для обеспечения надежности своего подхода команда сотрудничала с экспертами из Италии и Германии, специализирующимися на анализе безопасности квантового распределения ключей.
«Более тщательный анализ показывает, что стандартное описание многих протоколов квантового распределения ключей является неполным, что может быть использовано злоумышленниками. К сожалению, наш метод также обладает этой уязвимостью. Мы принимали участие в усилиях по решению этой проблемы. Наши сотрудники обнаружили, что определенная модификация приемника позволяет собирать больше данных, тем самым устраняя уязвимость. Доказательство безопасности нового протокола было опубликовано в журнале Physical Review Applied, а в нашей последней статье мы обсуждаем его применение в нашем эксперименте», — говорит Огродник.
Развитие исследований в области квантовой фотоники
Помимо демонстрации нового метода связи, проект укрепил экспертные знания в области передовой квантовой фотоники в Варшавском университете.
Работа проводилась в рамках международной программы QuantERA по квантовым технологиям, координируемой Национальным научным центром (ННЦ, Польша). Исследователи также использовали оборудование Национальной лаборатории фотоники и квантовых технологий (НЛПКТ) физического факультета Варшавского университета.
Источник: www.sciencedaily.com
