Исследователи из факультета физики Варшавского университета представили новую систему квантового распределения ключей (QKD), основанную на многомерном кодировании и темпоральном эффекте Тальбота. Эта разработка призвана повысить безопасность передачи данных в условиях растущих киберугроз.
Система использует одиночные фотоны для создания надежных ключей шифрования. В отличие от традиционных протоколов QKD, которые оперируют кубитами (простейшими единицами квантовой информации), новая система применяет многомерное кодирование, позволяющее квантовым состояниям представлять несколько значений. Это достигается за счет изучения суперпозиций фотонов по временным интервалам, когда фотон одновременно существует в комбинации более ранних и более поздних состояний. Вдохновением для ученых послужил темпоральный эффект Тальбота, который описывает периодическое повторение световых импульсов во времени при их распространении через диспергирующую среду.
Ключевым нововведением является экспериментальная четырехмерная система QKD, разработанная с использованием коммерчески доступных компонентов. Она способна обнаруживать суперпозиции нескольких импульсов с помощью одного фотонного детектора, что значительно упрощает и удешевляет измерительную систему по сравнению с традиционными интерферометрическими сетями. Кроме того, новый метод устраняет необходимость в сложной калибровке приемника.
Разработанная система была протестирована в лабораторных условиях и в волоконной инфраструктуре Варшавского университета на протяжении нескольких километров. Исследователи успешно продемонстрировали QKD с двумерным и четырехмерным кодированием, подтвердив более высокую информационную эффективность многомерного кодирования. Несмотря на присущие экспериментальному подходу ошибки измерения, они не препятствуют работе QKD, что было подтверждено в сотрудничестве с теоретиками квантовой криптографии.
В сотрудничестве с итальянскими и немецкими исследовательскими группами была устранена выявленная уязвимость в протоколах безопасности. Модификация приемника позволила собирать больший объем данных и повысить безопасность протокола. Результаты исследования безопасности нового протокола опубликованы в Physical Review Applied. Это достижение приближает практическую реализацию квантовой криптографии и укрепляет безопасность передачи данных в городских условиях.
Многомерное квантовое распределение ключей (HDQKD) демонстрирует более высокую информационную эффективность и устойчивость к шуму по сравнению с традиционными бинарными протоколами QKD, что открывает путь к более надежной и масштабируемой квантовой связи в будущем.