Цифрлық коммуникациялардың дамуы мен киберқауіптер санының артуына байланысты зерттеушілер деректерді қауіпсіз жеткізудің жаңа әдістерін әзірлеуде. Ең перспективалы бағыттардың бірі — кванттық криптография, мұнда шифрлау кілттерін жасау үшін жеке фотондар қолданылады. Варшава университетінің физика факультетінің мамандар тобы жаңа кванттық кілттерді тарату (QKD) жүйесін жасап, оны қолданыстағы қалалық талшықты-оптикалық желілерде сынақтан өткізді. Олардың тәсілінің негізінде көпөлшемді кодтау және Талбот эффектісі деп аталатын оптикалық құбылысты пайдалану жатыр.

Кванттық кілттерді тарату және көпөлшемді кодтау

Кванттық кілттерді тарату (QKD) — бұл технология, ол жеке фотондардың көмегімен екі тарап арасында қорғалған криптографиялық кілт орнатуға мүмкіндік береді. Дәстүрлі түрде бұл үшін кубиттер — кванттық ақпараттың ең қарапайым бірліктері қолданылады, олар өлшеу кезінде екі мүмкін нәтижеден біреуін береді. Алайда күрделі міндеттер үшін бірнеше мән қабылдай алатын кванттық күйлерді қолданатын көпөлшемді кодтау әдістері әзірленуде. Лабораториялық жағдайда фотондардың уақыттық биндерінің суперпозициялары зерттеледі, мұнда фотон «ерте» және «кеш» күйлерінің комбинациясы ретінде бола алады. Ақпарат жарық импульстары арасындағы фазалық қатынаста кодталады, ал фотонды анықтау уақыты кездейсоқ анықталады. Бұрын екі импульстің суперпозициялары ғана тиімді тіркелсе, енді екіден төртке және одан да көп уақыттық биндермен жағдайлар зерттелуде.

Талбот эффектісін қолдану

Өз жұмысында команда Талбот эффектісін пайдаланды — бұл алғаш рет 1836 жылы сипатталған классикалық оптикалық құбылыс. Жарық дифракциялық тордан өткенде оның бейнесі белгілі бір қашықтықтарда қайталанады. Бұл эффект тек кеңістікте ғана емес, уақыт ішінде де байқалады, егер жарық импульстарының реттелген тізбегі дисперсиялық ортада, мысалы, талшықта таралса. Бұл эффектті жарық импульстарының тізбектеріне, соның ішінде жеке фотондарға қолдана отырып, сигналдар талшық арқылы өткенде уақыт ішінде өздігінен қалпына келетін жүйе жасауға мүмкіндік туды. Импульстардың қабаттасуы мен интерференциясының сипаты олардың фазасына байланысты, бұл әртүрлі кванттық күйлерді ажыратуға және өлшеуге мүмкіндік береді.

Құрылым ерекшеліктері мен артықшылықтары

Зерттеушілер жасаған QKD эксперименттік жүйесі төрт өлшемде жұмыс істей алады және коммерциялық қолжетімді компоненттерден жиналған. Көптеген импульстардың суперпозицияларын тіркеу үшін тек бір фотондық детектор қажет, бұл құрылымды жеңілдетіп, дәстүрлі, күрделі интерферометрлік жүйелерге қарағанда құнын төмендетеді. Бұл тәсіл қабылдағышты жиі әрі дәл калибрлеу қажеттілігін де жояды.

Дәстүрлі схемаларда импульстар арасындағы фазалық айырмашылықтарды анықтау үшін көпинтерферометрлік жүйе қолданылады, мұнда өлшеу нәтижелерінің бір бөлігі пайдасыз болып, импульстар саны артқан сайын тиімділік төмендейді. Жаңа әдіс жоғары тиімділікпен ерекшеленеді, себебі фотондарды анықтаудың барлық оқиғалары қолданылады. Өлшеу қателіктерінің салыстырмалы түрде жоғары ықтималдығына қарамастан, бұл QKD жұмысына кедергі келтірмейді, оны кванттық криптография теоретиктерімен бірлескен зерттеулер көрсетті. Сонымен қатар, жүйе әртүрлі суперпозиция өлшемдерімен жұмыс істеу үшін қайта баптауды қажет етпейді — 2D және 4D суперпозицияларды аппаратты өзгертпей немесе қабылдағышты тұрақтандырмай тіркеуге болады.

Сынақтар және қауіпсіздік мәселелері

Жүйе лабораториялық жағдайда да, Варшава университетінің бірнеше километрлік талшықты желісінде де сыналды. Уақыттық Талбот эффектісіне негізделген жаңа әдіс бірдей таратқыш пен қабылдағышты пайдалана отырып, екі және төрт өлшемді кодтаумен QKD-ді көрсетуге мүмкіндік берді. Эксперименттік тәсілге тән қателіктерге қарамастан, нәтижелер көпөлшемді кодтаудың арқасында жүйенің ақпараттық тиімділігінің жоғары екенін растады.

Кванттық кілттерді тарату белгілі бір алғышарттар орындалғанда дәлелденген қауіпсіздігі үшін бағаланады. Әдістің сенімділігін тексеру үшін QKD қауіпсіздігі бойынша шетелдік мамандармен бірлесіп талдау жүргізілді. Көптеген QKD-протоколдардың стандартты сипаттамасы толық емес екені анықталды, бұл осалдықты қаскөйлер пайдалана алады. Жаңа әдіс те осы осалдыққа ұшырайды, бірақ қабылдағышты өзгерту арқылы көбірек дерек жинап, мәселені шешуге болады. Жаңа протоколдың қауіпсіздігі дәлелденіп, соңғы жұмыста оның экспериментке қолданылуы талқыланды.

Кванттық фотониканы дамытудың болашағы

Жаңа байланыс әдісін көрсетуге қоса, жоба Варшава университетінде кванттық фотоника саласындағы құзыреттердің дамуына ықпал етті. Жұмыс халықаралық QuantERA кванттық технологиялар бағдарламасы аясында, Польша Ұлттық ғылыми орталығының үйлестіруімен, сондай-ақ университеттің физика факультетіндегі Фотоника және кванттық технологиялар ұлттық зертханасының ресурстарын пайдалана отырып жүргізілді.