Китай хакна природата: единичните фотони вече работят по график

Квантовото разпределение на ключове (QKD) – метод за криптиране, основан на принципите на квантовата физика се счита за един от най-обещаващите начини за защита на цифровите комуникации. Той позволява да се предават криптиращи ключове, като се използват квантови състояния на фотони, които не могат да бъдат копирани или измерени без изкривяване. Това прави прихващането практически невъзможно, без да се открие опит за хакване.

Тъй като създаването на истински източник на единични фотони остава техническо предизвикателство, повечето съществуващи QKD системи използват отслабени лазерни импулси, които имитират единични фотони. Такива импулси обаче не винаги съдържат правилния брой фотони и само около една трета от тях са действително подходящи за генериране на сигурни ключове.

Изследователи от Китайския университет за наука и технологии успяха да преодолеят това ограничение, като приложиха източник, който излъчва единичен фотон при поискване.

Тяхната нова система, описана в списание Physical Review Letters постига много по-висока скорост на генериране на сигурни ключове в сравнение с предишни подходи.

По думите на един от авторите на статията Фейху Сю, досега в QKD широко са използвани слаби кохерентни импулси и протоколи със състояния на подмяна. Но този подход има теоретично ограничение – вероятността за единичен фотон не може да надвишава около 37%, което намалява ефективността на системата. Въпреки че теоретично източниците на единични фотони могат да заобиколят това ограничение, ниската им яркост е попречила това да бъде доказано на практика. Този проблем не можа да бъде решен в продължение на почти две десетилетия.

Основната цел на новата работа беше да се създаде физическа система, способна да излъчва единични фотони с висока яркост. Това би преодоляло недостатъците на традиционните лазерни източници и би повишило надеждността на технологията.

Изследователите са използвали квантови точки, резонаторни микрокавитатори, тясно лентово филтриране и ефективна поляризационна модулация, за да създадат най-ефективния до момента източник на единични фотони за QKD. Експериментите, проведени в лабораторни и полеви условия потвърдиха високата ефективност на системата и значителното увеличение на скоростта на генериране на ключове.

При тестовете новата система успя да надхвърли основните граници на скоростта за конвенционалните кохерентни импулси. При експеримент на открито със загуба на сигнал от близо 15 децибела системата успя да постигне скорост на генериране на ключове със 79% по-висока от предишната. Въпреки това, допустимата загуба на канала все още е по-ниска от тази на конвенционалните системи, отбелязва Сю.

Изследователите обясняват това с остатъчните ефекти от излъчването на множество фотони, които се проявяват при използване на протокол без състояния на заместване. В бъдеще те планират да подобрят устойчивостта на системата на загуби чрез оптимизиране на източника на фотони и прилагане на допълнителни протоколи.

Екипът възнамерява да подобри ефективността на емисията и чистотата на фотоните, да подобри самата система QKD и да проучи приложимостта на протоколи като теорията на заместващите състояния. Освен това те планират да разработят по-усъвършенствана квантова мрежова инфраструктура, включваща телепортация, квантови ретранслатори и повторители. Учените са уверени, че разработването на технологиите ще направи квантовото разпределение на ключове достъпно за ежедневна употреба.