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 сообщений злоумышленниками без обнаружения.
Трудности с созданием настоящих источников одиночных фотонов (SPS)
Поскольку настоящие источники одиночных фотонов сложно создать, большинство разработанных на сегодняшний день систем QKD полагаются на источники ослабленного света, которые имитируют одиночные фотоны, например, лазерные импульсы низкой интенсивности. Однако эти 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 настоящий SPS (то есть систему, которая может излучать только один фотон по запросу). Их недавно предложенная система QKD, описанная в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, оказалась лучше предыдущих методов, достигнув существенно 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 ограничение WCP-QKD — это теоретический верхний предел 1/e для вероятности одиночного фотона, который ограничивает скорость генерации ключа. Хотя теория предполагала, что SPS может преодолеть этот предел, прошлые эксперименты сдерживались низкой яркостью источника (~10%), что не позволяло доказать их превосходство. Это было давней проблемой для SPS в течение последних 20 лет».
Основная цель недавнего исследования
Основной целью недавнего исследования Сюй и его коллег было создание физической системы, 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
«Внедрив высокоэффективный источник одиночных фотонов на основе квантовых точек, узкополосный фильтр и модуляцию поляризации с низкими потерями, мы разработали наиболее эффективный на сегодняшний день источник света на основе SPS для QKD», — пояснил Сюй. «Используя этот передовой источник, мы провели серию экспериментов QKD как в лабораторных, так и в полевых условиях в свободном пространстве».
Эксперименты, проведённые исследователями, дали очень многообещающие результаты: их SPS оказался высокоэффективным, а также значительно увеличил скорость генерации защищённых ключей системой QKD.
«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, что превысило практический предел QKD на основе слабого когерентного света на 79%».
Тем не менее, исследователи отметили, что максимальная потеря канала в настоящее время всё ещё ниже для SPS-QKD, чем для 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 своих 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 источников одиночных фотонов — 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 инфраструктур квантовых сетей, 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