Fizycy z Uniwersytetu Warszawskiego opracowali i sprawdzili w infrastrukturze miejskiej nowatorski system kwantowej dystrybucji klucza. Ich układ jest prostszy w budowie i skalowaniu niż dotychczasowe rozwiązania, a jednocześnie oparty na zjawisku znanym od prawie dwustu lat – efekcie Talbota.

W erze błyskawicznej wymiany danych i narastającego ryzyka cyberataków naukowcy poszukują bezpiecznych metod przesyłania informacji. Jednym z rozwiązań jest kryptografia kwantowa – technologia kwantowa wykorzystująca pojedyncze fotony do ustalania kluczy szyfrujących.

Detekcja czasowych superpozycji z użyciem czasowego dywanu Talbota (wizualizacja: Mateusz Ogrodnik), źródło: Wydział Fizyki Uniwersytet Warszawski

Zespół z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego opracował i sprawdził w infrastrukturze miejskiej nowatorski system kwantowej dystrybucji klucza. System wykorzystuje tzw. kodowanie wysoko – wymiarowe. Zaproponowany układ jest prostszy w budowie i skalowaniu niż dotychczasowe rozwiązania, a jednocześnie oparty na zjawisku znanym fizykom od prawie dwustu lat – efekcie Talbota.

– W naszych badaniach zajmujemy się kwantową dystrybucją klucza (QKD) – technologią, która wykorzystuje pojedyncze fotony do ustanawiania bezpiecznego klucza kryptograficznego między dwiema osobami – tłumaczy dr Michał Karpiński, kierownik Laboratorium Fotoniki Kwantowej Wydziału Fizyki UW.

Standardowo wykorzystuje się tzw. kubity – najprostsze jednostki informacji kwantowej. Choć ta metoda jest już dobrze przetestowana, nie zawsze nadaje się do bardziej wymagających zastosowań. Dlatego naukowcy pracują teraz nad tzw. kodowaniem wielowymiarowym. Zamiast kubitów, których pomiar daje jeden z dwóch wyników, używają bardziej złożonych stanów kwantowych, które przyjmują więcej wartości.

W Laboratorium Fotoniki Kwantowej naukowcy koncentrują się na superpozycji fotonów w czasie – sytuacjach, w których foton nie jest ani wcześniej, ani później, ale jest w kombinacji tych stanów. Pomiar czasu detekcji pojedynczego fotonu dla takiej superpozycji w czasie da losowy wynik. Taki stan koduje informację za pomocą zależności pomiędzy wcześniejszym i późniejszym impulsem, czyli w fazie fali świetlnej.

– Już wcześniej potrafiono wydajnie wykrywać superpozycje złożone z dwóch impulsów: wcześniejszego i późniejszego. My poszliśmy krok dalej – interesują nas przypadki, w których tych przedziałów czasowych jest więcej: od dwóch do czterech lub więcej – precyzuje dr Karpiński.

Czasowy efekt Talbota

Inspiracją dla badaczy był efekt Talbota – zjawisko znane z optyki klasycznej, po raz pierwszy opisane w 1836 roku przez Henry’ego Foxa Talbota, pioniera fotografii.

— Gdy światło przechodzi przez siatkę dyfrakcyjną, jej obraz powtarza się w regularnych odstępach – jakby „odradzał się” w pewnej odległości. Co ciekawe, ten sam efekt zachodzi nie tylko w przestrzeni, ale również w czasie – pod warunkiem, że regularny ciąg impulsów świetlnych rozchodzi się w ośrodku o odpowiedniej dyspersji, takim jak szklany światłowód. Dzięki optycznej analogii przestrzenno-czasowej możemy zastosować efekt Talbota do krótkich impulsów świetlnych, w tym dla pojedynczych fotonów – uzyskując tym samym nowe możliwości analizy i przetwarzania stanów kwantowych. W naszym przypadku ciąg impulsów światła działa jak siatka dyfrakcyjna – i może się „samoodtworzyć” w czasie pod wpływem dyspersji, po przebyciu pewnego dystansu w światłowodzie. Co więcej, sposób, w jaki impulsy interferują, zależy od ich fazy, a to pozwala nam wykrywać różne typy superpozycji – wyjaśnia Maciej Ogrodnik, realizujący doktorat na Wydziale Fizyki UW.

Fizycy z UW opracowali eksperymentalną wersję czterowymiarowej kwantowej dystrybucji klucza. Cały układ oparty jest na dostępnych na rynku komponentach.

– Kluczowy trik polega na tym, że w całym systemie użyto tylko jednego detektora fotonów do wykrycia superpozycji wielu impulsów zamiast skomplikowanej sieci interferometrów. Pozwala to znacznie obniżyć złożoność i cenę układu pomiarowego. Ponadto, nasza metoda nie wymaga osobnej, często czasochłonnej i trudnej kalibracji odbiornika – mówi Adam Widomski, realizujący doktorat na Wydziale Fizyki UW.

Jak opisują badacze, chcąc wykryć fazę między impulsami, tradycyjnie stosuje się układ wielu interferometrów – to coś w rodzaju drzewa, w którym impulsy są dzielone i przesuwane w czasie. Niestety, takie układy są mało wydajne, bo niektóre wyniki pomiarów są bezużyteczne. Efektywność pomiaru spada wraz z rosnącą liczbą impulsów, a odbiornik wymaga dokładnej kalibracji i stabilizacji.

– Zaletą naszej metody jest wysoka wydajność, dzięki wykorzystaniu wszystkich zdarzeń detekcji fotonów. Wadą – względnie wysokie błędy pomiarowe. Nie stanowią one jednak przeszkody w realizacji QKD, co pokazaliśmy dzięki współpracy z badaczami zajmującymi się teorią kryptografii kwantowej. Co więcej, nie musimy przebudowywać układu dla różnych wymiarów superpozycji, możemy wykrywać superpozycje 2-, 4-wymiarowe bez zmiany sprzętu ani konieczności stabilizacji odbiornika. To ogromna zaleta w porównaniu z wcześniejszymi metodami – dodaje Widomski.

Nie tylko szybkość, ale i bezpieczeństwo

Badacze przetestowali swoje rozwiązanie zarówno na światłowodach w laboratorium, jak i w infrastrukturze światłowodowej Uniwersytetu Warszawskiego, na dystansie kilkunastu kilometrów.

– Dzięki nowej metodzie z wykorzystaniem czasowego efektu Talbota, z powodzeniem zademonstrowaliśmy QKD z użyciem dwu i czterowymiarowego kodowania z zastosowaniem tego samego nadajnika i odbiornika. Mimo błędów związanych z prostą doświadczalnie metodą, nasze wyniki potwierdzają zwiększenie wydajności informacyjnej układu wynikającej z właściwości kodowania wysokowymiarowego – precyzuje Widomski.

Główną zaletą QKD jest teoretyczne bezpieczeństwo protokołu, które można udowodnić przy podstawowych założeniach. Dlatego od początku projektu badacze z UW współpracowali z grupami z Włoch i Niemiec, które specjalizują się w dowodach bezpieczeństwa QKD.

– Dokładniejsza analiza wskazuje, że dotychczasowy opis wielu protokołów QKD jest niepełny, co może wykorzystać atakujący. Niestety, używana przez nas metoda też ma tę podatność. Uczestniczyliśmy w pracach nad rozwiązaniem tego problemu. Nasi współpracownicy zauważyli, że pewna modyfikacja odbiornika pozwala na zebranie większej ilości danych, dzięki czemu można wyeliminować wspomnianą podatność – zauważa Maciej Ogrodnik.

Współpraca była realizowana w ramach programu współpracy międzynarodowej w zakresie technologii kwantowych QuantERA.  Rezultaty badań zostały opublikowane w prestiżowych czasopismach „Optica Quantum”, „Optica” oraz „Physical Review Applied”.

Źródło: Forum akademickie/ Wydział FUW