Кремний — это прошлый век. Теперь квантовый интернет собираются делать из боросиликатного стекла

Квантовые компьютеры уже давно пугают криптографов: если такие машины станут достаточно мощными, часть привычных схем шифрования можно будет просто «пересчитать». На этом фоне квантовая криптография выглядит как запасной выход из комнаты с дымом: безопасность там держится не на сложности вычислений, а на законах физики. Но у этой красоты есть бытовая проблема: квантовые состояния света очень нежные, и чтобы «снять» с них информацию, нужен точный и стабильный приемник. Пока такие устройства часто получаются громоздкими или капризными.

Группа исследователей из Университета Падуи, Политехнического университета Милана и итальянского института CNR показала, что важный кусок этой задачи можно решить неожиданно простым материалом: обычным боросиликатным стеклом. В работе, о которой рассказывают в новостях SPIE и Phys.org со ссылкой на журнал Advanced Photonics, ученые собрали квантовый когерентный приемник прямо внутри стеклянной заготовки с помощью фемтосекундного лазера. Такой подход обещает малые оптические потери, стабильную работу и хорошую совместимость с существующими волоконно оптическими линиями, то есть выглядит как шаг от лабораторных стендов к устройствам «в поле». )

Речь идет о протоколах на так называемых непрерывных переменных: там важны амплитуда и фаза световой волны, а измерения делают через интерференцию слабого квантового сигнала с более сильным опорным лучом. До сих пор такие приемники часто старались интегрировать на кремнии, но у кремниевых решений есть неприятные особенности вроде чувствительности к поляризации и заметных потерь, что бьет и по качеству, и по стабильности квантовой связи. Стекло в этом смысле спокойнее: оно практически не зависит от поляризации и позволяет «рисовать» внутри себя волноводы в трех измерениях с очень низкими потерями.

Команда сделала на стеклянной фотонной микросхеме перестраиваемый гетеродинный приемник, который умеет одновременно измерять две взаимно связанные компоненты сигнала (квадратуры). По данным авторов, устройство показало очень малые потери при вводе и прохождении света (порядка одного децибела) и высокий коэффициент подавления общего шума более 73 дБ, то есть оно хорошо «гасит» классические помехи, которые особенно мешают в реальных линиях связи. Отдельно отмечается стабильность измерений как минимум на протяжении восьми часов.

Самое интересное начинается там, где микросхему проверяют не «в вакууме», а в задачах. На одном и том же приемнике исследователи реализовали генератор квантовых случайных чисел в модели, где источнику света заранее не доверяют (по сути, защита на случай, если входной сигнал оказался «подсунутым» или испорченным). В этой схеме они получили 42,7 Гбит/с защищенных случайных битов и называют это рекордом для такого класса безопасности. Одновременно тот же приемник применили для распределения квантовых ключей с четырехточечным кодированием состояний (QPSK): в имитации линии длиной 9,3 км удалось добиться скорости формирования секретного ключа 3,2 Мбит/с.

Почему это может быть важнее, чем еще один «крутой результат в лаборатории»? Потому что стеклянная платформа хорошо стыкуется с телеком волокном по размерам моды, терпимо относится к окружающей среде и дает свободу трехмерной разводки: можно делать пересечения и сложные маршруты без лишнего рассеяния. А фемтосекундная лазерная запись позволяет быстрее прототипировать такие схемы без дорогого полупроводникового производства. Если суммировать, получается довольно практичный рецепт: компактный приемник, который не требует нежного обращения и при этом тянет сразу две ключевые задачи квантовой связи.