Po celá desetiletí si vědci mysleli, že nerozbitné kvantové šifrování vyžaduje bezchybné zdroje světla, téměř nemožný výkon. Tým však převrátil skript pomocí malých inženýrských „kvantových teček“ a chytrých nových protokolů.
Tím, že se nedokonalá světlo chová bezpečněji, dokázali, že šifrované zprávy mohou cestovat dále a bezpečněji než kdykoli předtím. Testy v reálném světě ukázaly, že jejich metoda překonává i ty nejlepší současné systémy, což přináší praktickou a cenově dostupnou kvantově bezpečnou komunikaci o významný krok blíže.
Průlom v kvantovém šifrování
Tým fyziků provedl průlom, který by mohl přiblížit bezpečnou kvantovou komunikaci blíže k každodennímu používání – bez nutnosti bezchybného hardwaru.
Výzkum vedený studenty PhD Yuval Bloom a Yoad Ordan, pod vedením profesora Ronena Rapaporta z Fyzikálního institutu Racah na hebrejské univerzitě ve spolupráci s vědci z Los-Alamos National Labs a zveřejněno v PRX QuantumPředstavuje nový praktický přístup, který výrazně zlepšuje způsob, jakým posíláme kvantové šifrované informace pomocí světelných částic – i při použití nedokonalého vybavení.
Praskání 40leté výzvy
Po čtyři desetiletí se Svatý grál kvantového distribuce klíčů (QKD)-věda o vytvoření nerozbitného šifrování pomocí kvantové mechaniky-zabýval jedním nepolapitelným požadavkem: dokonale vytvořené zdroje s jedním fototonem. Jedná se o malé zdroje světla, které mohou emitovat jednu částici světla (foton) najednou. V praxi se však budování takových zařízení s absolutní přesností ukázala jako nesmírně obtížná a drahá.
Abychom to vyřešili, pole se silně spoléhalo na lasery, které se snadněji vyrábějí, ale ne ideální. Tyto lasery vysílají slabé impulsy světla, které obsahují malý, ale nepředvídatelný počet fotonů – kompromis, který omezuje jak bezpečnost, tak i vzdálenost, nad kterým lze údaje bezpečně přenášet, protože chytrý odposlouchávač může „ukrást“ informační bity, které jsou kódovány současně na více než jednom fotonu.
Lepší způsob s nedokonalými nástroji
Bloom, Ordan a jejich tým otočili skript. Místo čekání na dokonalé zdroje fotonu vyvinuli dva nové protokoly, které Pracujte s tím, co máme nyní -Subpoissonovské fotonové zdroje založené na kvantových tečkách, což jsou malé polovodičové částice, které se chovají jako umělé atomy.
Dynamickým vytvořením optického chování těchto kvantových teček a jejich párováním s nanoantennas byl tým schopen vyladit, jak jsou fotony emitovány. Toto jemné doladění jim umožnilo navrhnout a prokázat dvě pokročilé šifrovací strategie:
- Zkrácený návnadový státní protokol: Nová verze široce používaného kvantového šifrovacího přístupu, přizpůsobeného pro nedokonalé zdroje fotonů, která vyřazuje potenciální pokusy o hackerství v důsledku vícefotonových událostí.
- Protokol ohlašovaného čištění: Nová metoda, která dramaticky zlepšuje zabezpečení signálu „filtrováním“ přebytečných fotonů v reálném čase a zajišťuje, aby byly zaznamenány pouze skutečné jednotlivé fotonové bity.
V simulacích a laboratorních experimentech tyto techniky překonaly i ty nejlepší verze tradičních metod QKD založených na laseru-prodloužení vzdálenosti, nad nimiž lze bezpečný klíč vyměnit o více než více než 3 decibelypodstatný skok v poli.
Test v reálném světě kvantových sítí
Abychom dokázali, že to nebyla jen teorie, tým vytvořil kvantové komunikační nastavení v reálném světě pomocí zdroje kvantové tečky pokojové teploty. Spustili svou novou posílenou verzi známého šifrovacího protokolu BB84-páteř mnoha kvantových systémů distribuce klíčů-a ukázali, že jejich přístup byl nejen proveditelný, ale lepší než stávající technologie.
Jejich přístup je navíc kompatibilní s širokou škálou kvantových zdrojů světla, což potenciálně snižuje náklady a technické bariéry při nasazení kvantově sekunvové komunikace ve velkém měřítku.
Směrem k cenově dostupné komunikaci kvantového zabezpečení
„Jedná se o významný krok k praktickému, přístupné kvantové šifrování,“ řekl profesor Rapaport. „Ukazuje, že k získání výjimečného výkonu nepotřebujeme perfektní hardware – musíme být chytřejší o tom, jak používáme to, co máme.“
Společný autor Yuval Bloom dodal: „Doufáme, že tato práce pomůže otevřít dveře do kvantových sítí v reálném světě, které jsou bezpečné a cenově dostupné. Skvělá věc je, že nemusíme čekat; lze ji implementovat s tím, co již máme v mnoha laboratořích po celém světě.“
Reference: „Protokoly o návnadovém stavu a čištění pro vynikající distribuci kvantových klíčů s nedokonalými jednofotonovými zdroji založené na kvantovém dotku: Teorie a experiment“ od Yuval Bloom, Yoad Ordan, Tamar Levin, Kfir Sulimany, Eric G. Bowes, Jennifer A. Hollingsworth a Ronen Rapaport, 21. srpna 2025 PRX Quantum.
Dva: 10.1103/7fdd-m92n
Nikdy nezmeškáte průlom: Připojte se k zpravodaji Scitechdaily.
