W obliczu rosnącego zagrożenia cybernetycznego, naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (UW) opracowali i przetestowali innowacyjny system kwantowej dystrybucji klucza (QKD) w warunkach miejskiej infrastruktury. Ich podejście, inspirowane efektem Talbota z 1836 roku, wykorzystuje kodowanie wielowymiarowe, oferując prostszą i bardziej skalowalną konstrukcję systemów QKD w porównaniu do istniejących technologii. Dr hab. Michał Karpiński, kierownik Laboratorium Fotoniki Kwantowej na UW, podkreśla, że badania skupiają się na dystrybucji klucza kwantowego, która wykorzystuje pojedyncze fotony do tworzenia bezpiecznego klucza kryptograficznego między dwiema stronami.
Tradycyjne QKD opiera się na kubitach, jednak zespół z UW bada bardziej złożone stany kwantowe, które mogą reprezentować wiele wartości. W Laboratorium Fotoniki Kwantowej nacisk kładziony jest na superpozycje czasowe fotonów, gdzie informacja kodowana jest w fazie fali świetlnej. Inspiracją dla naukowców stał się efekt Talbota, klasyczne zjawisko optyczne, które w tym przypadku zastosowano do pojedynczych fotonów, umożliwiając nowe sposoby analizy i przetwarzania stanów kwantowych.
Naukowcy z UW zaprojektowali eksperymentalny, czterowymiarowy system QKD, wykorzystując łatwo dostępne komponenty komercyjne. Kluczową innowacją jest zdolność systemu do detekcji superpozycji wielu impulsów za pomocą pojedynczego detektora fotonów, co eliminuje potrzebę stosowania skomplikowanych sieci interferometrów, znacząco redukując złożoność i koszt systemu pomiarowego. Metoda ta omija również potrzebę oddzielnej, czasochłonnej kalibracji odbiornika.
Nowa metoda charakteryzuje się wysoką wydajnością, a wszystkie zdarzenia detekcji fotonów są użyteczne. Mimo stosunkowo wysokich wskaźników błędów pomiarowych, nie utrudniają one QKD. Bezpieczeństwo systemu zostało przetestowane w laboratoryjnych światłowodach oraz w infrastrukturze światłowodowej Uniwersytetu Warszawskiego na dystansie kilku kilometrów. Badacze zademonstrowali QKD z kodowaniem dwu- i czterowymiarowym przy użyciu tego samego nadajnika i odbiornika, potwierdzając wyższą efektywność informacyjną kodowania wielowymiarowego.
Współpracując z włoskimi i niemieckimi grupami badawczymi, zespół opracował modyfikację odbiornika, która pozwala na zebranie większej ilości danych, eliminując wadę bezpieczeństwa związaną z niekompletnością standardowego opisu wielu protokołów QKD. Dowód bezpieczeństwa nowego protokołu został opublikowany w Physical Review Applied. To osiągnięcie stanowi znaczący krok w kierunku praktycznego wdrożenia kryptografii kwantowej, potencjalnie wzmacniając bezpieczeństwo transmisji danych w środowiskach miejskich.