Nowy wymiar kryptografii kwantowej

Naukowcy z Wydziału Fizyki UW zbadali nowatorski system kwantowej dystrybucji klucza, który wykorzystuje tzw. kodowanie wysokowymiarowe. Choć zaproponowany przez badaczy układ jest oparty na zjawisku znanym fizykom od prawie 200 lat, nowe rozwiązanie jest prostsze w budowie i skalowaniu niż dotychczasowe rozwiązania. Rezultaty badań zostały opublikowane w czasopismach „Optica Quantum”, „Optica” oraz „Physical Review Applied”.

Kryptografia kwantowa to technologia kwantowa wykorzystująca pojedyncze fotony do ustalania kluczy szyfrujących. Nowe badania naukowców z Wydziału Fizyki skupiają się na kwantowej dystrybucji klucza (QKD). Dzięki temu rozwiązaniu można stworzyć bezpieczny klucz kryptograficzny między dwiema osobami.

Jak mówi dr Michał Karpiński, kierownik Laboratorium Fotoniki Kwantowej Wydziału Fizyki UW, do kryptografii kwantowej 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, przyjmujących więcej wartości – mówi dr Michał Karpiński.

Badania prowadzą naukowcy z Laboratorium Fotoniki Kwantowej na Wydziale Fizyki UW. Kierownikiem zespołu jest dr Michał Karpiński, który pracuje z Maciejem Ogrodnikiem oraz Adamem Widomskim – doktorantami na Wydziale Fizyki UW. Badacze koncentrują się na superpozycji fotonów w czasie.

– Już wcześniej możliwe było wydajne wykrywanie superpozycji złożonych 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 – dodaje dr Karpiński.

Dobrze znany efekt, nowe zastosowanie

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, iż regularny ciąg impulsów świetlnych rozchodzi się w ośrodku o odpowiedniej dyspersji, takim jak szklany światłowód – wyjaśnia Maciej Ogrodnik.

Zespół naukowców z Wydziału Fizyki UW opracował eksperymentalny system czterowymiarowej kwantowej dystrybucji klucza (QKD). Co istotne, cały układ został zbudowany wyłącznie z łatwo dostępnych elementów. Jak wyjaśnia Adam Widomski, kluczową innowacją jest zastosowanie tylko jednego detektora fotonów do rejestrowania superpozycji wielu impulsów świetlnych — zamiast złożonej sieci interferometrów. Takie rozwiązanie znacząco upraszcza konstrukcję urządzenia, obniża jego koszt i eliminuje potrzebę czasochłonnej kalibracji odbiornika.

– Tradycyjnie, gdy chcemy wykryć fazę między impulsami, stosujemy układ wielu interferometrów – 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 – mówi Maciej Ogrodnik.

Nowe rozwiązanie opracowane przez badaczy z UW pozwala uniknąć tych problemów. Wykorzystuje ono wszystkie zarejestrowane zdarzenia detekcji fotonów, co przekłada się na znacznie wyższą wydajność pomiaru. Choć metoda wiąże się z nieco większym błędem pomiarowym, nie stanowi to przeszkody w praktycznej realizacji QKD — co potwierdzono we współpracy z teoretykami kryptografii kwantowej. Co więcej, system jest niezwykle elastyczny: pozwala na wykrywanie superpozycji dwu- i czterowymiarowych bez konieczności przebudowy układu czy ponownej stabilizacji odbiornika. To znaczący krok w kierunku rozwoju technologii kwantowej.

Zwiększenie wydajności informacyjnej

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 adekwatności kodowania wysokowymiarowego – precyzuje Adam Widomski.

– Dokładniejsza analiza wskazuje, iż 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, iż pewna modyfikacja odbiornika pozwala na zebranie większej ilości danych, dzięki czemu można wyeliminować wspomnianą podatność. Dowód bezpieczeństwa nowego protokołu został opublikowany w czasopiśmie „Physical Review Applied”, a jego zastosowanie do naszego eksperymentu omawiamy w najnowszym artykule – mówi Maciej Ogrodnik.

Projekt pozwolił również naukowcom z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego rozwinąć wiedzę w obszarze najnowszych fotonicznych technologii kwantowych, nad którymi pracują w laboratoriach Wydziału.