Квантовый фотон научился хранить в 8 раз больше секретов и не выдавать их хакерам

Ученые из Института фотонных технологий имени Лейбница в Йене совместно с международными коллегами разработали два метода, которые могут приблизить квантовую связь к реальному применению вне лабораторий. Один из них позволяет значительно увеличить объём информации, передаваемой с помощью одного фотона. Второй помогает сохранить стабильность квантового сигнала на больших расстояниях. Оба подхода используют стандартные телекоммуникационные компоненты, что делает их совместимыми с уже существующей оптоволоконной инфраструктурой.

Квантовая связь может стать ключевым элементом в защите конфиденциальных данных — в больницах, государственных учреждениях и промышленных системах. В отличие от классических технологий, она основана не на электрических сигналах, а на отдельных фотонах, закодированных в чувствительные квантовые состояния. Главное преимущество заключается в том, что любое вмешательство в сигнал немедленно нарушает его квантовое состояние, делая попытку перехвата не только обнаруживаемой, но и в принципе ограниченной.

Однако внедрение квантовой связи в повседневную жизнь всё ещё связано с рядом сложностей. Исследователи из Германии и Канады сосредоточились на двух главных проблемах: как сделать так, чтобы каждый фотон передавал больше информации, и как сохранить стабильность сигнала при передаче на сотни километров по оптоволокну, несмотря на искажения.

Результаты представлены в двух научных публикациях в журналах Nature Communications и Physical Review Letters. В первой описана новая фотонная платформа , позволяющая значительно повысить информационную плотность на один фотон. Во второй — технология, обеспечивающая устойчивую передачу сигнала на расстоянии до 200 километров, причём обе разработки основаны на уже существующих телеком-компонентах.

Один из ключевых методов — это так называемое кодирование по временным ячейкам. В нём информация передаётся за счёт точного времени прибытия фотона, то есть в какой именно из миниатюрных временных интервалов он попал. Если традиционные системы различают всего два интервала, то новая разработка увеличивает их число до восьми. Это существенно повышает пропускную способность. По словам профессора Марио Хемница, это похоже на систему ящиков. Если раньше можно было открыть только один ящик, то теперь — сразу несколько, и в каждом из них своя часть сообщения.

Для реализации этой технологии использовался специально разработанный фотонный чип из нитрида кремния — материала, который идеально подходит для управления светом в миниатюрных масштабах. Внутри чипа размещены интерферометры, способные генерировать и обрабатывать спутанные фотоны. Все компоненты при этом взяты из обычных телекоммуникационных систем. В лабораторных испытаниях система успешно передавала квантовую информацию на расстояние в 60 километров — типичное для соединения двух узлов сети.

Вторая задача — передача сигнала на большие дистанции без потери качества. Одна из главных проблем здесь — дисперсия. Этот эффект растягивает световые импульсы во времени, затрудняя различие между временными ячейками. Чтобы справиться с этим, учёные применили метод корреляции суммарного времени прибытия фотонных пар. В отличие от обычного анализа по отдельным фотонам, этот параметр остаётся стабильным даже при сильной дисперсии. И впервые он был успешно применён в реальной системе связи.

Благодаря этому удалось достичь уверенной передачи сигнала на эквивалент 200 километров оптоволокна — с сохранением высокого качества и устойчивостью к попыткам вмешательства. Как отмечает Хемниц, первая технология позволяет упаковать больше данных в каждый фотон, а вторая — гарантирует, что эти данные дойдут до адресата в целости. Вместе они решают обе основные проблемы, стоящие перед квантовой связью.

Обе разработки стали частью более масштабной программы по выводу квантовых технологий из теории в практическое применение. Задача команды — сделать квантовую связь доступной на основе уже существующей телеком-инфраструктуры. В лаборатории Лейбница Хемниц возглавляет молодую исследовательскую группу, изучающую сочетание нелинейной оптики, машинного обучения и нейроморфных систем обработки информации. В дальнейшей перспективе он хочет не только передавать данные с помощью света, но и анализировать их прямо в оптических устройствах. Такие технологии могут найти применение в сверхбыстрой диагностике или энергоэффективных системах оптических вычислений.

Эксперты отмечают, что развитие квантовых технологий критически важно в контексте грядущих угроз от постквантовой криптографии , поскольку появление мощных квантовых компьютеров может поставить под угрозу традиционные методы шифрования. При этом квантовая связь представляет собой принципиально новый подход к обеспечению безопасности передачи данных, основанный на фундаментальных законах физики.