Новый протокол квантовой передачи — более высокая скорость передачи данных, устойчивость к помехам

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».