Лян Фэн, профессор кафедр материаловедения и инженерии (MSE) и электрических систем и инжиниринга (ESE), вместе с аспирантом MSE Чжифэном Чжаном и аспирантом ESE Хаоци Чжао, представили технологию в недавнем исследовании, опубликованном в Природа. Группа работала в сотрудничестве с учеными из Миланского политехнического университета, Института междисциплинарной физики и сложных систем, Университета Дьюка и Городского университета Нью-Йорка (CUNY).

Биты, кубиты и Кудиты

В то время как неквантовые чипы хранят, передают и вычисляют данные с использованием битов, современные квантовые устройства используют кубиты. Биты могут быть 1s или 0s, в то время как кубиты - это единицы цифровой информации, способные быть как 1, так и 0 одновременно. В квантовой механике это состояние одновременности называется "суперпозицией".

Квантовый бит в состоянии суперпозиции, превышающем два уровня, называется квантовымсказанный чтобы сигнализировать об этих дополнительных измерениях.

"В классической связи, - говорит Фенг, - лазер может излучать импульс, закодированный либо как 1, либо как 0. Эти импульсы могут быть легко клонированы перехватчиком, стремящимся украсть информацию, и поэтому не очень безопасны. В квантовой связи с кубитами импульс может иметь любое состояние суперпозиции между 1 и 0. Суперпозиция делает так, что квантовый импульс не может быть скопирован. В отличие от алгоритмического шифрования, которое блокирует хакеров, использующих сложную математику, квантовая криптография - это физическая система, которая обеспечивает безопасность информации."

Кубиты, однако, не идеальны. Имея всего два уровня суперпозиции, кубиты имеют ограниченное пространство для хранения и низкую устойчивость к помехам.

Четырехуровневые qudits устройства Feng Lab позволяют добиться значительных успехов в квантовой криптографии, повышая максимальную скорость секретного ключа для обмена информацией с 1 бита на импульс до 2 бит на импульс. Устройство предлагает четыре уровня суперпозиции и открывает возможности для дальнейшего увеличения размеров.

"Самой большой проблемой, - говорит Чжан, - была сложность и немасштабируемость стандартной настройки. Мы уже знали, как создавать эти четырехуровневые системы, но для этого требовалась лаборатория и множество различных оптических инструментов, чтобы контролировать все параметры, связанные с увеличением размеров. Наша цель состояла в том, чтобы достичь этого на одном чипе. И это именно то, что мы сделали".

Физика кибербезопасности

Квантовая связь использует фотоны в строго контролируемых состояниях суперпозиции. Такие свойства, как местоположение, импульс, поляризация и спин, существуют как множества на квантовом уровне, каждое из которых определяется вероятностями. Эти вероятности описывают вероятность того, что квантовая система - атом, частица, волна - при измерении приобретет один-единственный атрибут.

Другими словами, квантовые системы не существуют ни здесь, ни там. Они есть и здесь, и там. Только акт наблюдения - обнаружение, разглядывание, измерение - заставляет квантовую систему приобретать фиксированное свойство. Подобно субатомной игре в статуи, квантовые суперпозиции принимают единое состояние, как только их наблюдают, что делает невозможным их перехват без обнаружения или копирование.

Гиперпространственный спин-орбитальный микролазер основан на более ранней работе команды с вихревыми микролазерами, которые чувствительно настраивают орбитальный момент импульса (OAM) фотонов. Самое последнее устройство расширяет возможности предыдущего лазера, добавляя еще один уровень управления фотонным вращением.

Этот дополнительный уровень контроля - возможность манипулировать и соединять OAM и spin - является прорывом, который позволил им создать четырехуровневую систему.

Сложность одновременного контроля всех этих параметров - это то, что препятствовало генерации qudit в интегрированной фотонике, и представляет собой главное экспериментальное достижение работы команды.

"Представьте себе квантовые состояния нашего фотона как две планеты, наложенные друг на друга", - говорит Чжао. "Раньше у нас была информация только о широте этих планет. С помощью этого мы могли бы создать максимум два уровня суперпозиции. У нас не было достаточно информации, чтобы объединить их в четыре. Теперь у нас есть еще и долгота. Это информация, необходимая нам для совместного управления фотонами и достижения увеличения размеров. Мы координируем вращение каждой планеты и удерживаем две планеты в стратегическом отношении друг к другу".

Квантовая криптография с Алисой, Бобом и Евой

Квантовая криптография опирается на суперпозицию в качестве защиты от несанкционированного доступа. В популярном криптографическом протоколе, известном как распределение квантовых ключей (QKD), случайно сгенерированные квантовые состояния передаются туда и обратно между отправителем и получателем для проверки безопасности канала связи.

Если отправитель и получатель (всегда Алиса и Боб в мире криптографии) обнаруживают определенное несоответствие между своими сообщениями, они знают, что кто-то пытался перехватить их сообщение. Но, если передача остается в основном нетронутой, Алиса и Боб понимают, что канал безопасен, и используют квантовую передачу в качестве ключа для зашифрованных сообщений.

Как это улучшает безопасность неквантовой связи? Если мы представим фотон в виде сферы, вращающейся вверх, мы можем получить приблизительное представление о том, как фотон мог бы классически кодировать двоичную цифру 1. Если мы представим, что он вращается вниз, мы поймем 0.

Когда Алиса посылает классические фотоны, закодированные в битах, Ева-подслушивающая может украсть, скопировать и заменить их без ведома Алисы или Боба. Даже если Ева не сможет расшифровать украденные ею данные, она может припрятать их на ближайшее будущее, когда достижения в области компьютерных технологий позволят ей прорваться.

Квантовая связь добавляет более высокий уровень безопасности. Если мы представим фотон в виде сферы, вращающейся вверх и вниз одновременно, кодируя 1 и 0 одновременно, мы получим представление о том, как кубит сохраняет размерность в своем квантовом состоянии.

Когда Ева попытается украсть, скопировать и заменить кубит, ее способность улавливать информацию будет скомпрометирована, и ее вмешательство проявится в потере суперпозиции. Алиса и Боб будут знать, что канал небезопасен, и не будут использовать ключ безопасности, пока не смогут доказать, что Ева его не перехватила. Только тогда они отправят предназначенные зашифрованные данные, используя алгоритм, включенный ключом кубита.

Однако, хотя законы квантовой физики могут помешать Еве скопировать перехваченный кубит, она может нарушить квантовый канал. Алисе и Бобу нужно будет продолжать генерировать ключи и отправлять их туда и обратно, пока она не перестанет вмешиваться. Случайные возмущения, которые разрушают суперпозицию при прохождении фотона через пространство, также вносят свой вклад в интерференционные картины.

Информационное пространство кубита, ограниченное двумя уровнями, имеет низкую устойчивость к этим ошибкам.

Чтобы решить эти проблемы, квантовая коммуникация требует дополнительных измерений. Если мы представим себе фотон, вращающийся (так, как земля вращается вокруг Солнца) и вращающийся (так, как земля вращается вокруг своей оси) в двух разных направлениях одновременно, мы получим представление о том, как работают кудиты лаборатории Фенга.

Если Ева попытается украсть, скопировать и заменить qudit, она не сможет извлечь никакой информации, и ее вмешательство будет очевидным. Отправленное сообщение будет иметь гораздо большую устойчивость к ошибкам - не только из-за вмешательства Евы, но и из-за случайных ошибок, возникающих при перемещении сообщения в пространстве. Алиса и Боб смогут эффективно и безопасно обмениваться информацией.

"Существует большое беспокойство, - говорит Фенг, - что математическое шифрование, каким бы сложным оно ни было, будет становиться все менее и менее эффективным, потому что мы так быстро развиваем вычислительные технологии. Зависимость квантовой связи от физических, а не математических барьеров делает ее невосприимчивой к этим будущим угрозам. Сейчас как никогда важно, чтобы мы продолжали разрабатывать и совершенствовать технологии квантовой связи".