Новый протокол квантовой передачи – более высокая скорость передачи данных, устойчивость к помехам
Квантовая криптография – одна из самых многообещающих квантовых технологий нашего времени: точно такая же информация генерируется в двух разных местах, а законы квантовой физики гарантируют, что никакая третья сторона не сможет перехватить эту информацию. Это создает код, с помощью которого информация может быть идеально зашифрована.
Команда профессора Маркуса Хубера из Атомного института TU Wien разработала новый тип протокола квантовой криптографии, который сейчас протестирован на практике в сотрудничестве с китайскими исследовательскими группами. В разных состояниях ситуация здесь более сложная: каждый фотон может пройти восемь разных путей. Как команда теперь смогла показать, это ускоряет генерацию квантового криптографического ключа, а также значительно повышает устойчивость к помехам.
Два состояния, два измерения
«Есть много разных способов использования фотонов для передачи информации», – говорит Маркус Хубер. «Часто эксперименты сосредотачиваются на поляризации их фотонов. Например, колеблются ли они по горизонтали или по вертикали – или находятся ли они в квантово-механическом суперпозиционном состоянии, в котором, в некотором смысле, они принимают оба состояния одновременно. Подобно тому, как вы можете описать точку на двумерной плоскости с двумя координатами, состояние фотона можно представить как точку в двумерном пространстве ».
Но фотон также может нести информацию независимо от направления поляризации. Например, можно использовать информацию о том, по какому пути сейчас движется фотон. Это именно то, что сейчас используется: «Лазерный луч генерирует пары фотонов в кристалле особого типа. В кристалле есть восемь различных точек, где это может произойти », – объясняет Маркус Хубер. В зависимости от точки, в которой была создана пара фотонов, каждый из двух фотонов может двигаться по восьми различным путям – или по нескольким путям одновременно, что также разрешено в соответствии с законами квантовой теории.
Эти два фотона можно направить в совершенно разные места и там проанализировать. Одна из восьми возможностей измеряется совершенно случайным образом, но поскольку два фотона квантово-физически запутаны, в обоих местах всегда получается один и тот же результат. Тот, кто стоит у первого измерительного устройства, знает, что другой человек в данный момент обнаруживает на втором измерительном устройстве – и никто другой во Вселенной не может получить эту информацию.
Восемь состояний, восемь измерений
«Тот факт, что мы используем здесь восемь возможных путей, а не два разных направления поляризации, как это обычно бывает, имеет большое значение», – говорит Маркус Хубер. «Пространство возможных квантовых состояний становится намного больше. Фотон больше не может быть описан точкой в двух измерениях, математически он теперь существует в восьми измерениях ».
Это дает несколько преимуществ. Во-первых, он позволяет генерировать больше информации: при 8307 битах в секунду и более 2,5 битах на пару фотонов установлен новый рекорд в генерации ключей квантовой криптографии на основе сцепленности. А во-вторых, можно показать, что это делает процесс менее восприимчивым к помехам.
«При использовании всех квантовых технологий приходится иметь дело с проблемой декогеренции», – говорит Маркус Хубер. «Ни одна квантовая система не может быть полностью защищена от возмущений. Но если он вступает в контакт с возмущениями, он может очень легко потерять свои квантовые свойства: квантовые зацепления разрушаются ». Однако квантовые состояния более высоких измерений с меньшей вероятностью потеряют сцепленность даже при наличии возмущений.
Более того, сложные механизмы квантовой коррекции ошибок могут использоваться для компенсации влияния внешних возмущений. «В ходе экспериментов в лаборатории был включен дополнительный свет, чтобы преднамеренно вызвать помехи – и протокол по-прежнему работал», – говорит Маркус Хубер. «Но только если бы мы действительно использовали восемь разных путей. Мы смогли показать, что при простом двумерном кодировании криптографический ключ больше не может быть сгенерирован в этом случае ».
В принципе, возможно дальнейшее улучшение нового, более быстрого и надежного протокола квантовой криптографии за счет использования дополнительных степеней свободы или еще большего числа различных путей. «Однако это не только увеличивает пространство возможных состояний, но и в какой-то момент становится все труднее правильно считывать состояния», – говорит Маркус Хубер. «Похоже, мы нашли здесь хороший компромисс, по крайней мере, в пределах того, что в настоящее время технически возможно».
В нашем Telegram‑канале вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
