Квантовое распределение ключей (QKD) — криптографический метод, основанный на принципах квантовой физики, — показал значительный потенциал для повышения безопасности коммуникаций. Этот метод позволяет передавать ключи шифрования с использованием квантовых состояний фотонов или других частиц, которые невозможно скопировать или измерить без их изменения. Это существенно усложняет перехват разговоров между двумя сторонами злоумышленниками, не позволяя обнаружить вмешательство.
Трудности с созданием истинно однофотонных источников
Истинно однофотонные источники (SPS) сложны в производстве, поэтому большинство разработанных на сегодняшний день систем QKD полагаются на источники ослабленного света, имитирующие одиночные фотоны, например, лазерные импульсы низкой интенсивности. Однако такие лазерные импульсы могут не содержать фотонов или содержать более одного фотона, поэтому только примерно 37% импульсов, используемых в системах, могут быть использованы для генерации защищённых ключей.
Преодоление ограничений
Исследователи из Университета науки и технологий Китая (USTC) недавно смогли преодолеть это ограничение ранее предложенных систем QKD, используя истинный SPS (систему, которая может излучать только один фотон по запросу). Их новая система QKD, описанная в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, оказалась эффективнее ранее предложенных методов, достигнув значительно более высокой скорости генерации защищённых ключей (SKR).
Фэйху Сюй, соавтор статьи, рассказал Phys.org: «Слабые когерентные импульсы (WCP) вместе с протоколами с использованием подставных состояний широко используются в QKD. Однако ограничением WCP-QKD является теоретический верхний предел 1/e для вероятности одиночного фотона, который ограничивает скорость генерации ключа. Хотя теория предполагает, что SPS может преодолеть этот предел, прошлые эксперименты сдерживались низкой яркостью источника (~10%), что мешало доказать их превосходство. Это было давней проблемой для SPS в течение последних 20 лет».
Основная цель исследования
Основная цель недавнего исследования Сюй и его коллег состояла в том, чтобы создать физическую систему, которая могла бы излучать высокояркие одиночные фотоны по запросу, преодолевая фундаментальные ограничения ослабленных источников света, используемых для создания систем QKD в прошлом.
Они надеялись, что эта система повысит надёжность и производительность методов QKD, что позволит использовать их в реальных условиях.
Результаты экспериментов
Эксперименты, проведённые исследователями, дали очень многообещающие результаты: их SPS оказался высокоэффективным, а также значительно увеличил скорость, с которой система QKD генерировала защищённые ключи.
«Мы впервые продемонстрировали, что QKD на основе SPS превосходит фундаментальный предел скорости для WCP», — сказал Сюй. «В полевых испытаниях QKD по свободному пространственному городскому каналу с потерями 14,6(1,1) дБ мы достигли SKR 1,08 × 10⁻³ бит на импульс, превысив практический предел QKD на основе слабого когерентного света на 79%».
Однако текущие исследования показывают, что максимальная потеря канала в SPS-QKD всё ещё ниже, чем в WCP-QKD.
Более низкая потеря канала, наблюдаемая исследователями в их системе QKD, была связана не с самой системой, а с остаточными многофотонными эффектами в протоколе без использования подставных состояний, который они использовали. В рамках будущих исследований они надеются улучшить устойчивость своей системы к потерям, дополнительно оптимизировав производительность её основного SPS или внедрив подставные состояния в свою систему.
«Наши следующие исследования будут сосредоточены на повышении производительности SPS QKD, например, путём оптимизации квантовых точечных однофотонных источников — повышения эффективности и чистоты излучения фотонов, оптимизации производительности системы QKD и изучения таких протоколов, как теория подставных состояний», — добавил Сюй.
«Кроме того, мы могли бы изучить возможность создания сложных квантовых сетевых инфраструктур, использующих квантовую телепортацию, квантовые ретрансляторы и квантовые реле. Мы уверены, что текущие технологические достижения будут постепенно продвигать QKD к практическому и общему применению».
© 2025 Science X Network
More from Optics