Detekcja czasowych superpozycji przy wykorzystaniu czasowego kobierca Talbota (wizualizacja: Mateusz Ogrodnik, Uniwersytet Warszawski).
Uczeni z Uniwersytetu Warszawskiego stworzyli i zweryfikowali w infrastrukturze miejskiej innowacyjny system kwantowej wymiany tajnego klucza (QKD), bazujący na kodowaniu wielowymiarowym. Mechanizm ten jest łatwiejszy w konstrukcji i powiększaniu niż dotychczasowe rozwiązania.
Rezultaty opublikowane np. w „Optica Quantum”, „Optica” i „Physical Review Applied” zwięźle przedstawiono w komunikacie Wydziału Fizyki UW. System sprawdzono w laboratorium i na włóknach światłowodowych UW, na odległości rzędu kilkunastu kilometrów. – Za sprawą czasowego zjawiska Talbota zaprezentowaliśmy QKD z użyciem dwu- i czterowymiarowego kodowania przy tym samym nadajniku i odbiorniku – tłumaczy współautor badań doktorant Adam Widomski. Pomimo niedoskonałości, metoda ta podnosi efektywność informacyjną dzięki atutom kodowania wielowymiarowego.
Jak wyjaśnia dr Michał Karpiński, szef Laboratorium Fotoniki Kwantowej FUW, powszechnie w QKD stosuje się kubity, jednak mają one pewne mankamenty. Z kolei kodowanie wielowymiarowe, oparte na skomplikowanych stanach kwantowych, umożliwia przesyłanie większej ilości wiadomości. Badacze z FUW analizują superpozycje fotonów w czasie – stany, gdzie foton jest jednocześnie „wcześniej” i „później”. Informacja jest utrwalona w fazie fali świetlnej. Do tej pory zgłębiano zwłaszcza superpozycje dwóch impulsów, naukowcy z UW poszerzyli to o szerszy zakres interwałów czasowych.
Natchnieniem stał się efekt Talbota, opisany w 1836 r. przez Henry’ego Foxa Talbota. W kablu światłowodowym, dzięki dyspersji, sekwencja impulsów świetlnych potrafi się „odbudować” w czasie, analogicznie jak w znanej siatce dyfrakcyjnej. – To pozwala na badanie i przetwarzanie stanów kwantowych pojedynczych fotonów – objaśnia doktorant Maciej Ogrodnik.
Zespół utworzył czterowymiarowy system QKD, bazujący na ogólnodostępnych częściach i jednym detektorze fotonów. A to sygnalizuje, że nie jest potrzebna złożona sieć interferometrów. – To redukuje wydatki i upraszcza urządzenie, bez potrzeby regulacji – zaznacza Widomski. W odróżnieniu od konwencjonalnych procedur, skuteczność detekcji nie maleje wraz z powiększeniem się ilości impulsów. Niedogodnością mogą być większe błędy, ale pomimo ich występowania, kwantowa dystrybucja klucza nadal jest realna. Co więcej, to samo oprzyrządowanie pozwala wykrywać superpozycje różnych wymiarów.
Największym atutem QKD jest dowiedzione teoretycznie bezpieczeństwo. Zatem badacze współpracowali z grupami z Włoch oraz Niemiec, badając potencjalne słabości w protokołach. – Udowodniono, że modyfikacja odbiornika pozwala zgromadzić więcej danych oraz usunąć podatność. Potwierdzenie bezpieczeństwa opisano w „Physical Review Applied” – oznajmia Ogrodnik.
Projekt nie tylko zaowocował nowymi wnioskami naukowymi, ale również pozwolił na zbudowanie kompetencji w zakresie nowoczesnych technologii kwantowych w laboratoriach FUW. Badania zrealizowano w ramach międzynarodowego projektu QuantERA, pilotowanego przez NCN.
Nauka w Polsce
lt/ agt/
