Квантовая гиперзапутанность позволит передать больше зашифрованных данных
Метод квантовой криптографии защищает передаваемую информацию от незаметного прочтения и изменения, однако объём данных, переправляемых таким способом, пока невелик. Учёные из США доказали гипотезу своего предшественника на практике и теперь утверждают, что защищённый трафик можно уплотнить.
Метод квантовой криптографии защищает передаваемую по оптоволокну информацию от незаметного прочтения и изменения, однако объём данных, переправляемых таким способом, пока невелик. Прежде всего проблема состоит в том, что одна пара запутываемых фотонов (частиц света), как правило, обладают только одной "запутанной" характеристикой, например, спином. Таким образом, на каждый пересылаемый фотон приходится один кубит (или квантовый бит).
Чтобы обойти это ограничение, физики-теоретики придумали, как сделать фотоны гиперзапутанными. В этом случае данные, которые сможет передать одна частица света, увеличатся в 32 раза.
В ходе одной из последних работ, которая должна была продемонстрировать, что теоретические предположения верны и могут быть осуществлены на практике, учёные из Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе (UCLA) попробовали задействовать не только спин фотона, но и энергию частицы.
Физики в ходе экспериментов фактически удвоили "пропускную способность" метода. Для этого они переслали пары фотонов в виде бифотонного частотного гребня (frequency comb), то есть серии отдельных импульсов, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга на шкале частот (свет, напомним, имеет также волновую природу, а волна характеризуется среди прочего частотой).
Учёные из США проделали с фотонами тот же фокус, что и инженеры, пересылающие сразу несколько сигналов по одному и тому же оптическому волокну, а именно получили квантовый аналог спектрального уплотнения каналов. Последний работает на макроуровне, второй, как выяснилось теперь, на микроуровне.
"Мы показали, что оптический частотный гребень можно создать и на уровне одного фотона", — сообщает Чжэньда Се (Zhenda Xie), доцент UCLA.
Добавим, что саму такую возможность рассматривал в своей теоретической работе профессор Джеффри Шапиро (Jeffrey Shapiro) из MIT. Однако только недавно появилась возможность проверить на практике правоту знаменитого физика — при помощи ультрабыстрых лазеров и столь же скоростных детекторов фотонов, а также некотрых других современных технологических решений.
"Мы рады подтвердить созданный много лет назад теоретический прогноз профессора Шапиро, — говорит ведущий автор исследования доцент Чэ Вэй Вун (Chee Wei Wong) из Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе. — Используя высокоточные детекторы отдельных фотонов, доктор Се смог подтвердить наличие запутанности фотонов с многомерными степенями свободы и несколькими измерениями". Это в свою очередь означают, что существует новый безопасный способ для обработки и передачи более плотного потока информации.
В дальнейшем результаты этого исследования будут проверены, подтверждены и, вероятно, воспроизведены другими независимыми командами учёных. В этом случае физикам придётся перейти с понятия кубита на понятие куdита (qudit), где d будет означать количество возможных характеристик запутываемых фотонов. А это уже совершенно иные пространства и объёмы передаваемых зашифрованных данных.
Кроме обычных на сегодня применений в безопасных коммуникациях и системах обработки информации такая технология может быть использована на медицинских и финансовых серверах, обрабатывающих огромное количество данных, в государственных учреждениях, на секретных военных коммуникационных каналах, в распределённых квантовых вычислениях или в квантовых облаках.
Подробно об этом исследовании и его теоретических основах рассказывает статья, вышедшая в журнале Nature Photonics.