Како што дигиталната комуникација станува сѐ побрза, а сајбер-заканите сѐ посериозни, научниците бараат побезбедни начини за пренос на информации. Еден од најперспективните пристапи е квантната криптографија, каде поединечни фотони се користат за создавање шифрирачки клучеви. Истражувачки тим од Физичкиот факултет при Универзитетот во Варшава разви и тестираше нов систем за квантна распределба на клучеви (QKD) во постојни градски оптички мрежи. Нивниот пристап се потпира на високодимензионално кодирање и на добро познат оптички феномен наречен Талботов ефект.
„Нашето истражување е фокусирано на квантната распределба на клучеви, технологија што користи единечни фотони за воспоставување безбеден криптографски клуч меѓу две страни“, објаснува д-р Михал Карпињски, раководител на Лабораторијата за квантна фотоника на Универзитетот во Варшава. Тој посочува дека класичните QKD системи најчесто работат со кубити, односно наједноставни единици на квантна информација. Но за посложени примени, научниците сѐ повеќе се насочуваат кон повеќедимензионално кодирање, каде квантните состојби можат да носат повеќе од две можни вредности.
Во лабораторијата, истражувачите ги проучуваат таканаречените суперпозиции во временски интервали. Наместо фотонот да биде регистриран само како „ран“ или „доцен“, тој може да постои како комбинација од двете можности. Точниот момент на детекција е случаен, а информацијата е запишана во фазниот однос меѓу светлосните импулси. Досега ефикасно се детектираа суперпозиции од два импулса, но овој тим отиде чекор понатаму и разгледува состојби со повеќе временски интервали.
За таа цел, научниците се свртеа кон Талботовиот ефект, класичен оптички феномен опишан уште во 1836 година од Хенри Фокс Талбот. Кога светлината минува низ дифракциона решетка, нејзината слика периодично се повторува на одредени растојанија. Истото, како што покажува теоријата, може да се случи и во времето ако правилен низ од светлосни импулси се шири низ дисперзивна средина како што е оптичкото влакно.
Применувајќи го овој ефект врз низи од светлосни импулси, вклучувајќи и единечни фотони, тимот создаде систем во кој сигналите можат ефективно да се „самообновуваат“ додека патуваат низ влакното. Начинот на кој импулсите се преклопуваат и интерферираат зависи од нивната фаза, што им овозможува на истражувачите да разликуваат и мерат различни квантни состојби.
Една од најважните предности на новиот систем е неговата едноставност. Истражувачите изградиле експериментален QKD систем што работи во четири димензии, а целата поставка е составена од комерцијално достапни компоненти. Наместо сложена мрежа од интерферометри, потребен е само еден фотонски детектор за да се регистрираат суперпозиции од повеќе импулси. Тоа значително ги намалува и цената и техничката сложеност, а воедно ја елиминира и потребата од честа и прецизна калибрација на приемникот.
Кај традиционалните системи, за мерење на фазните разлики меѓу импулсите се користи разгранета мрежа од интерферометри, каде сигналот се дели и доцни по различни патеки. Таквите системи не се особено ефикасни, бидејќи дел од добиените резултати не носат корисна информација. Како што расте бројот на импулси, ефикасноста опаѓа, а приемникот бара прецизна стабилизација. Новиот пристап, напротив, ги користи сите детекциски настани, иако има релативно повисока стапка на грешка. Сепак, авторите покажуваат дека тие грешки не го спречуваат функционирањето на QKD.
Системот бил тестиран и во лабораториски услови и преку постојната оптичка мрежа на Универзитетот во Варшава, на растојанија од неколку километри. Со истиот предавател и приемник, истражувачите успешно демонстрирале квантна распределба на клучеви со дводимензионално и четиридимензионално кодирање. И покрај грешките својствени за едноставната експериментална поставка, резултатите потврдуваат дека високодимензионалното кодирање овозможува поголема информациска ефикасност.
Квантната распределба на клучеви е особено вредна затоа што, под одредени претпоставки, нуди докажлива безбедност. За да ја проверат робусноста на својот пристап, полските истражувачи соработувале со експерти од Италија и Германија специјализирани за безбедносна анализа на QKD протоколи. Подеталната анализа покажала дека стандардниот опис на многу вакви протоколи е нецелосен и би можел да отвори простор за злоупотреба. Решението дошло преку модификација на приемникот што овозможува собирање повеќе податоци и отстранување на таа ранливост.
Покрај демонстрацијата на нов метод за безбедна комуникација, проектот придонел и за зајакнување на експертизата во напредната квантна фотоника на Универзитетот во Варшава. Истражувањето било спроведено во рамки на меѓународната програма QuantERA за квантни технологии, координирана од Националниот научен центар на Полска, со користење на инфраструктурата на Националната лабораторија за фотоника и квантни технологии.
Резултатите укажуваат дека квантната криптографија постепено се приближува до реални телекомуникациски мрежи. Ако ваквите системи продолжат да се поедноставуваат и да се подобрува нивната безбедност, тие би можеле да станат важен дел од идната дигитална инфраструктура.
