В современном интернете повседневная жизнь небезопасна: хакеры могут взломать банковские счета или украсть цифровые идентификаторы. Благодаря искусственному интеллекту атаки становятся всё изощрённее. Квантовая криптография обещает более эффективную защиту. Она обеспечивает безопасность связи от прослушивания, опираясь на законы квантовой физики. Однако на пути к квантовому интернету всё ещё есть технические трудности.
Исследователи из Института полупроводниковой оптики и функциональных интерфейсов (IHFG) Штутгартского университета совершили решающий прорыв в одной из наиболее технически сложных составляющих — квантовом повторителе.
Они сообщают о своих результатах в журнале Nature Communications.
«Впервые в мире нам удалось передать квантовую информацию между фотонами, исходящими из двух разных квантовых точек», — говорит профессор Питер Михлер, руководитель IHFG и заместитель представителя исследовательского проекта Quantenrepeater.Net (QR.N).
Что стоит за этим достижением?
Любое цифровое сообщение — будь то WhatsApp или видеопоток — состоит из нулей и единиц. То же самое относится и к квантовой связи, в которой отдельные световые частицы служат носителями информации.
Ноль или единица кодируются в двух разных направлениях поляризации фотонов (то есть их ориентации в горизонтальном и вертикальном направлениях или в суперпозиции обоих состояний). Поскольку фотоны подчиняются законам квантовой механики, их поляризацию нельзя всегда полностью считать без следов. Любая попытка перехватить передачу неизбежно будет обнаружена.
Другая проблема: доступный квантовый интернет будет использовать оптические волокна — так же, как и сегодняшний интернет. Однако у света есть только ограниченный диапазон. Обычные световые сигналы необходимо обновлять примерно каждые 50 километров с помощью оптического усилителя.
Поскольку квантовую информацию нельзя просто усилить, скопировать и переслать, это не работает в квантовом интернете. Однако квантовая физика позволяет передавать информацию от одного фотона к другому, пока она остаётся неизвестной. Этот процесс называется квантовой телепортацией.
На основе этого физики разрабатывают квантовые повторители, которые обновляют квантовую информацию до того, как она поглотится в оптическом волокне. Они должны служить узлами для квантового интернета. Однако существуют значительные технические трудности.
Для передачи квантовой информации посредством телепортации фотоны должны быть неотличимы (то есть они должны иметь примерно одинаковый временной профиль и цвет). Это оказывается чрезвычайно сложным, поскольку они генерируются в разных местах из разных источников.
«Световые кванты из разных квантовых точек никогда раньше не телепортировались, потому что это очень сложно», — говорит Тим Стробель, учёный из IHFG и первый автор исследования. В рамках QR.N его команда разработала полупроводниковые источники света, которые генерируют почти идентичные фотоны.
«В этих полупроводниковых островках присутствуют определённые фиксированные уровни энергии, как в атоме», — говорит Стробель. Это позволяет генерировать отдельные фотоны с определёнными свойствами одним нажатием кнопки.
«Наши партнёры из Лейбницевского института исследований твёрдого тела и материалов в Дрездене разработали квантовые точки, которые отличаются минимально», — говорит Стробель. Это означает, что почти идентичные фотоны можно генерировать в двух местах.
В Штутгартском университете команде удалось телепортировать состояние поляризации фотона, исходящего из одной квантовой точки, другому фотону из второй квантовой точки. Одна квантовая точка генерирует одиночный фотон, другая — запутанную пару фотонов.
Запутанные означает, что две частицы составляют единое квантовое целое, даже когда они физически разделены. Один из двух фотонов перемещается ко второй квантовой точке и интерферирует с её световой частицей. Они перекрываются. Из-за этой суперпозиции информация одиночного фотона передаётся удалённому партнёру пары.
Инструментом для успеха эксперимента стали квантовые преобразователи частоты, которые компенсируют остаточные частотные различия между фотонами. Эти преобразователи были разработаны командой под руководством профессора Кристофа Бехера, эксперта по квантовой оптике в Саарском университете.
«Передача квантовой информации между фотонами из разных квантовых точек — это решающий шаг на пути к преодолению больших расстояний», — говорит Михлер.
В эксперименте в Штутгарте квантовые точки были разделены только оптическим волокном длиной около 10 метров. «Но мы работаем над тем, чтобы достичь значительно больших расстояний», — говорит Стробель.
В более ранних работах команда показала, что запутанность фотонов квантовой точки остаётся неизменной даже после 36-километровой передачи через центр Штутгарта. Ещё одна цель — повысить текущую успешность телепортации, которая в настоящее время составляет чуть более 70%. Колебания в квантовой точке всё ещё приводят к небольшим различиям в фотонах.
«Мы хотим уменьшить это, совершенствуя технологии производства полупроводников», — говорит Стробель.
«Достижение этого эксперимента было давней амбицией — эти результаты отражают годы научной преданности и прогресса», — говорит доктор Симоне Лука Порталупи, руководитель группы в IHFG и один из координаторов исследования. «Волнительно видеть, как эксперименты, сосредоточенные на фундаментальных исследованиях, делают свои первые шаги к практическому применению».
Предоставлено Штутгартским университетом.