Китай взломал саму природу: одиночные фотоны теперь работают по расписанию

Квантовое распределение ключей — метод шифрования, основанный на принципах квантовой физики, считается одним из самых перспективных способов защиты цифровых коммуникаций. Он позволяет передавать ключи шифрования с помощью квантовых состояний фотонов, которые невозможно скопировать или измерить без искажения. Это делает перехват практически невозможным без обнаружения попытки взлома.

Поскольку создание настоящего одиночного фотонного источника остаётся технически сложной задачей, большинство существующих QKD-систем используют ослабленные лазерные импульсы, имитирующие одиночные фотоны. Однако такие импульсы не всегда содержат нужное число фотонов, и только около трети из них действительно подходят для генерации безопасных ключей.

Исследователи из Университета науки и технологий Китая смогли преодолеть это ограничение, применив источник, который излучает по одному фотону по запросу. В их новой системе, описанной в журнале Physical Review Letters, удалось добиться гораздо более высокой скорости генерации безопасных ключей по сравнению с предыдущими подходами.

По словам одного из авторов работы Фэйху Сюй, ранее в QKD широко применялись слабые когерентные импульсы и протоколы с подстановочными состояниями. Но такой подход имеет теоретическое ограничение — вероятность одиночного фотона не может превышать примерно 37 процентов, что снижает эффективность системы. Несмотря на то что теоретически одиночные фотонные источники способны обойти это ограничение, их низкая яркость мешала это доказать на практике. Эту проблему не удавалось решить почти два десятилетия.

Главной целью новой работы было создание физической системы, способной испускать одиночные фотоны с высокой яркостью. Это позволило бы преодолеть недостатки традиционных лазерных источников и повысить надёжность технологии.

Исследователи применили квантовые точки, резонаторные микрополости, фильтрацию узкой полосы и эффективную поляризационную модуляцию, создав на сегодняшний день самый результативный источник одиночных фотонов для QKD. Эксперименты, проведённые в лабораторных и полевых условиях, подтвердили высокую эффективность системы и значительное увеличение скорости генерации ключей.

В ходе испытаний новая система смогла превзойти фундаментальные пределы скорости для обычных когерентных импульсов. В уличном эксперименте с потерями сигнала почти 15 децибел удалось добиться скорости генерации ключей, превышающей прежние показатели на 79 процентов. Однако, как отметил Сюй, допустимые потери в канале пока всё же ниже, чем у традиционных систем.

Исследователи объяснили это остаточными эффектами многократного испускания фотонов, которые проявляются при использовании протокола без подстановочных состояний. В дальнейшем они планируют улучшить устойчивость системы к потерям за счёт оптимизации фотонного источника и внедрения дополнительных протоколов.

Команда намерена совершенствовать эффективность излучения и чистоту фотонов, улучшать саму систему QKD и исследовать возможности применения таких протоколов, как теория подстановочных состояний. Кроме того, в планах — разработка более сложной квантовой сетевой инфраструктуры, включая телепортацию, квантовые ретрансляторы и повторители. Учёные уверены, что развитие технологий позволит сделать квантовое распределение ключей доступным для повседневного применения.