Международная группа исследователей под руководством Университета Пенсильвании создала чип, который превосходит все существующие аппаратные средства квантовой связи. И не зря: этот чип хранит данные не в кубитах, а в кудитах, которые предлагают не два, а четыре уровня суперпозиции. Таким образом, устройство обеспечивает беспрецедентную безопасность и надежность.
Неквантовые микросхемы хранят, передают и вычисляют данные с помощью битов, которые могут быть равны 0 или 1. Квантовые устройства, с другой стороны, полагаются на кубиты, которые могут принимать значения 0 и 1 одновременно - состояние одновременности, известное как "суперпозиция" и являющееся фундаментальным принципом квантовой механики. Этот принцип суперпозиции делает связь более безопасной, поскольку невозможно дублировать кубиты (для этого их нужно измерить и таким образом "заморозить" их состояние).
Таким образом, квантовая криптография обеспечивает неприкосновенность обмена информацией. Но, имея только два уровня суперпозиции, кубиты, используемые в технологиях квантовой связи, имеют ограниченное пространство для хранения и низкую устойчивость к помехам. Поэтому Лян Фэн, профессор факультетов материаловедения и инженерии и электрических систем и инженерии Пенсильванского инженерного института, разработал устройство на основе четырехуровневых кубитов: максимальная скорость секретного ключа для обмена информацией увеличивается с 1 бита за импульс до 2 бит за импульс.
Квантовая связь опирается на фотоны, находящиеся в строго контролируемых суперпозиционных состояниях: их характеристики (положение, импульс, поляризация и спин) описываются не фиксированными значениями, а вероятностями значений. Только акт наблюдения, обнаружения или измерения придает квантовой системе фиксированное свойство. Это замечательное достижение для технологий шифрования, поскольку невозможно перехватить, прочитать или клонировать информацию без того, чтобы это сразу стало очевидным.
Целью команды было добавить дополнительный уровень контроля, чтобы удвоить доступное пространство квантовой информации.
"Самой большой проблемой была сложность и немасштабируемость стандартной конфигурации. Мы уже знали, как генерировать эти четырехуровневые системы, но для этого требовалась лаборатория и множество различных оптических инструментов, чтобы контролировать все параметры, связанные с увеличением размеров. Нашей целью было достичь этого на одном чипе. И именно это мы и сделали", — говорит Жифенг Чжан, соавтор исследования, описывающего устройство.
Гиперпространственный спин-орбитальный микролазер, разработанный Фэном и его коллегами, основан на предыдущей работе группы с вихревыми микролазерами: последние способны точно настраивать орбитальный угловой момент фотонов. Способность манипулировать и связывать орбитальный угловой момент и вращение фотона позволила им создать систему с четырьмя уровнями суперпозиции.
"Представьте квантовые состояния нашего фотона в виде двух планет, расположенных друг над другом. Раньше у нас была информация только о широте этих планет. […] Теперь у нас есть и долгота. […] Мы координируем вращение и вращение каждой планеты и поддерживаем стратегические отношения между двумя планетами", — говорит Чжан.
Это дополнительное измерение делает технологию квантовой связи еще более надежной и лучше подходящей для применения в реальном мире. Рассмотрим популярный протокол шифрования, известный как квантовое распределение ключей (QKD). Это основано на случайно сгенерированных квантовых состояниях, которые отправляются туда и обратно между отправителем (Алисой) и получателем (Борисом) для проверки безопасности канала связи. Если Алиса и Борис обнаруживают разницу между своими сообщениями, они знают, что кто-то пытался перехватить их сообщение. Если нет, то канал считается защищенным.
С обычными, закодированными в биты фотонами подслушивающее лицо (Ева) может украсть их, скопировать и заменить так, чтобы Алиса или Борис не заметили. Даже если Ева не сможет сразу расшифровать украденные ею данные, она может хранить их до тех пор, пока прогресс в компьютерных технологиях не позволит ей это сделать. С квантовыми фотонами невозможна кража или копирование: это привело бы к потере наложения, что Алиса и Борис не преминут заметить. Поскольку канал не является безопасным, они не будут использовать свой ключ безопасности. Безопасность здесь основана на свойстве квантовой физики, а не на математической сложности.
Законы квантовой физики могут помешать Еве скопировать перехваченный кубит, но ее вмешательство может нарушить (или даже сломать) канал квантовой связи. Алисе и Борису придется продолжать генерировать ключи и пересылать их туда-сюда, пока Ева не перестанет вмешиваться. Однако кубиты очень чувствительны к возмущениям в окружающей среде - "атаку" иногда трудно отличить от шума, присущего самому каналу.
Кудиты решают эту проблему навсегда: если Ева попытается шпионить за общением, Алиса и Борис заметят это, но их сообщение также будет гораздо более устойчивым к ошибкам - не только к вмешательству со стороны Евы, но и к случайным ошибкам, возникающим в процессе передачи сообщения из одной точки в другую. Канал остается эффективным и безопасным.
"Существует большое беспокойство по поводу того, что математическое шифрование, каким бы сложным оно ни было, становится все менее и менее эффективным, поскольку компьютерные технологии развиваются очень быстро. Тот факт, что квантовая связь опирается на физические, а не математические барьеры, делает ее неуязвимой для этих будущих угроз", — заключает Чжан.