Российские физики нашли ключ к главной проблеме квантовой криптографии

Сохранение запутанности.

Источник: Unsplash

Квантовое распределение ключа — это процесс передачи информации между удаленными узлами по защищенному каналу, который невозможно прослушать, поскольку его надежность гарантируется не математической сложностью, а фундаментальными законами физики.

Для повышения пропускной способности, то есть скорости, с которой абоненты могут генерировать общий секретный ключ, в такие системы включают оптические вихри — световые пучки с вращательным движением фазы световой волны. Пучки позволяют кодировать информацию в многомерных состояниях, «упаковывая» несколько классических битов (единиц информации) в один фотон — частицу света. Такой сигнал лучше сопротивляется атмосферным помехам, его сложно незаметно перехватить благодаря узкой направленности, а быстрое переключение состояний вихря открывает путь к высокоскоростной передаче данных. При этом особенно важным условием становится сохранение взаимозависимости квантового состояния двух или более частиц при прохождении луча через оптические схемы. Такое явление называется квантовой запутанностью, и оно необходимо для работы сетей в реальных условиях без постоянной настройки на внешние шумы.

На данный момент практическое внедрение оптических вихрей в системы квантового распределения ключа сдерживается рядом проблем. Во-первых, это потеря сигнала при взаимодействии со средой. Во-вторых, сложность синхронизации передающего и приемного узлов. В-третьих, зависимость от импортного оборудования. Наконец, сами вихри чувствительны к турбулентности, дефектам волокон и тепловым искажениям, что требует применения систем адаптивной коррекции. Несмотря на эти сложности, интеграция оптических вихрей в квантовые системы остается одним из самых перспективных направлений для создания масштабируемых и надежных квантовых сетей будущего. Именно ее решением и занимался научный коллектив под руководством физиков Санкт-Петербургского государственного университета.

«Мы провели цикл исследований, направленных на формирование так называемого оптического вихря, необходимого для кодирования информации в многомерных состояниях. Для решения этой задачи мы использовали уголковые отражатели, представляющие собой оптические устройства с тремя взаимно перпендикулярными отражающими гранями с сохранением поляризации»,— объясняет профессор кафедры лазерных измерительных и навигационных систем СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Владимир Венедиктов.

Эти элементы позволили научному коллективу — физикам СПбГУ совместно с коллегами из НИУ МЭИ — модифицировать схему прибора. Устройство разделяет лучи на два фазосогласованных пучка, что и обеспечивает генерацию оптического вихря. В основе метода лежит комбинация двух уголковых отражателей. Если совсем просто — два зеркальных уголка, развернутых друг относительно друга под строго рассчитанным углом и покрытых специальным слоем. При таком сопряжении свет, попадая в эту конструкцию, расщепляется на сектора с точно заданным сдвигом фазы и поляризацией — как будто луч нарезается на упорядоченные «дольки», каждая из которых поворачивает световую волну по строгим правилам.

Первоначально метод был отработан в интерферометре Майкельсона — оптическом приборе, где луч света расщепляется, проходит по двум разным путям, а затем снова сводится воедино. В этом устройстве удалось подтвердить формирование поляризационного оптического вихря. Можно сравнить это с циферблатом, разделенным на секторы: в каждом из них поляризация, то есть направление колебаний световой волны, своя, но весь «циферблат» собран из этих секторов в единую строгую картину. Именно такая секторная структура и была экспериментально зафиксирована после разделения и рекомбинации оптических пучков.

Полученная учеными секторная структура поляризации — это не просто лабораторный курьез, а готовый инструмент для защищенной связи. Вихревые состояния света также активно используются в качестве носителя информации в квантовых протоколах распределения секретных ключей. Процедура передачи информации по квантовому каналу связи осуществляется так, что любое вмешательство третьих лиц неизбежно приводит к росту уровня ошибок в передаваемой ключевой последовательности. Это гарантируется фундаментальными законами квантовой механики. Одним из наиболее интересных направлений является многомерная квантовая криптография — метод, при котором в качестве носителей информации используются высокоразмерные квантовые системы. За счет этого достигается более высокая скорость передачи секретного ключа, а также повышается защищенность такого канала связи. Оптические вихри как раз и являются примером высокоразмерной квантовой системы.

«Группа лаборатории квантовой оптики СПбГУ предложила новый квантовый протокол распределения криптографических ключей, позволяющий обеспечить эффективную работу в атмосферных оптических каналах связи, в том числе каналах связи спутник—спутник и спутник—земля. Однако для практической реализации протокола известные методы формирования оптических вихрей не подходили, так как либо разрушали квантовые свойства света, либо обладали низким быстродействием»,— сказал участник исследования, аспирант СПбГУ Даниил Решетников.

По его словам, эксперименты в Научном парке СПбГУ показали: новый прибор может закручивать свет в спираль и при этом не разрывать невидимую связь между парными частицами света. Более того, меняя настройки волны, можно почти мгновенно переключаться с одной формы закрутки на другую. Именно это быстрое переключение и позволит использовать технологию в скоростных защищенных линиях связи будущего.

В исследовании приняли участие специалисты Санкт-Петербургского государственного университета, Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» и Московского энергетического института.