Жизнь в интернете по-прежнему небезопасна: киберпреступники с лёгкостью получают доступ к финансовым счетам или выдают себя за других людей. Развитие искусственного интеллекта позволило злоумышленникам проводить более сложные и целенаправленные атаки.

Возможным решением может стать квантовая криптография. Этот подход использует фундаментальные принципы квантовой физики для защиты информации, что значительно затрудняет перехват данных посторонними лицами без обнаружения. Тем не менее разработка технологии, необходимой для создания функционального квантового интернета, по-прежнему сопряжена с серьёзными научными трудностями.

Группа исследователей из Института полупроводниковой оптики и функциональных интерфейсов (IHFG) при Штутгартском университете сообщила о важном достижении в области одного из основных компонентов такой сети — «квантового ретранслятора» Их результаты были опубликованы в Nature Communications.

Полупроводниковые островки нанометрового размера для передачи информации

«Впервые в мире нам удалось передать квантовую информацию между фотонами, испускаемыми двумя разными квантовыми точками», — говорит профессор Петер Михлер, глава IHFG и заместитель руководителя исследовательского проекта Quantenrepeater.Net (QR.N).

Чтобы понять важность этого, нужно вспомнить, как работает цифровая связь. При отправке сообщения или потокового видео данные передаются в виде последовательностей нулей и единиц. Квантовая связь работает по тому же принципу, но информация передаётся отдельными фотонами. Ноль или единица кодируются в поляризации фотона (то есть в его ориентации в горизонтальном и вертикальном направлениях или в суперпозиции обоих состояний).

Физики из исследовательских групп Штутгартского, Саарбрюккенского и Дрезденского университетов проводят эксперимент по квантовой телепортации (слева направо: Тобиас Бауэр, Марлон Шефер, Каспар Хопфманн, Штефан Казмайер, Тим Штробель и Симоне Лука Порталупи). Фото: Юлиан Майш

Поскольку фотоны ведут себя в соответствии с принципами квантовой механики, их поляризацию не всегда можно исследовать, не нарушив её. Любая попытка перехватить сигнал оставляет заметные следы, которые позволяют обнаружить несанкционированный доступ.

Подготовка квантового интернета к работе с оптоволоконной инфраструктурой

Есть ещё одно серьёзное препятствие. Практичный квантовый интернет будет использовать оптические волокна — так же, как и современные цифровые сети. Однако свет может распространяться только на определённое расстояние, после чего его сила ослабевает. Стандартные сигналы данных необходимо обновлять примерно каждые 50 километров с помощью оптического усилителя.

Этот подход нельзя использовать для квантовой коммуникации, поскольку квантовые состояния нельзя скопировать или усилить обычным способом. Вместо этого квантовая физика предлагает другое решение: информация может быть передана от одного фотона к другому при условии, что сама информация не раскрывается напрямую. Этот процесс известен как квантовая телепортация.

Квантовые ретрансляторы как узлы для передачи информации

Опираясь на эти данные, физики разрабатывают квантовые ретрансляторы, которые обновляют квантовую информацию до того, как она будет поглощена оптическим волокном. Они должны стать узлами квантового интернета. Однако на пути стоят значительные технические препятствия.

Для передачи квантовой информации посредством телепортации фотоны должны быть неразличимы (то есть иметь примерно одинаковый временной профиль и цвет). Это чрезвычайно сложно, поскольку фотоны генерируются в разных местах из разных источников.

Тобиас Бауэр (слева) и Марлон Шефер (справа) из Саарского университета и Тим Штробель (в центре) из Штутгартского университета готовятся к эксперименту с мобильными квантовыми преобразователями частоты. Фото: Юлиан Майш

«Кванты света из разных квантовых точек никогда раньше не телепортировались, потому что это очень сложная задача», — говорит Тим Штробель, учёный из IHFG и первый автор исследования. В рамках проекта QR.N его команда разработала полупроводниковые источники света, которые генерируют практически идентичные фотоны.

«В этих полупроводниковых островках присутствуют определённые фиксированные энергетические уровни, как и в атоме», — говорит Штробель. Это позволяет генерировать отдельные фотоны с заданными свойствами одним нажатием кнопки. «Наши партнёры из Института исследований твёрдых тел и материалов им. Лейбница в Дрездене разработали квантовые точки, которые отличаются от наших лишь незначительно», — говорит Штробель.

Это означает, что почти идентичные фотоны могут быть сгенерированы в двух разных местах.

Информация «передаётся» от одного фотона к другому

Учёным из Штутгартского университета удалось телепортировать поляризационное состояние фотона, испускаемого одной квантовой точкой, на другой фотон, испускаемый второй квантовой точкой. Одна квантовая точка генерирует одиночный фотон, а другая — запутанную пару фотонов.

«Запутанность» означает, что две частицы представляют собой единое квантовое образование, даже если они физически разделены. Одна из двух частиц перемещается во вторую квантовую точку и взаимодействует с её световой частицей. Они накладываются друг на друга.

Благодаря этой суперпозиции информация об одиночном фотоне передаётся удалённому партнёру по паре. Ключевую роль в успехе эксперимента сыграли «квантовые преобразователи частоты», которые компенсируют остаточные различия в частоте фотонов. Эти преобразователи были разработаны командой под руководством профессора Кристофа Бехера, специалиста по квантовой оптике из Саарского университета.

Усовершенствования для преодоления значительно больших расстояний

«Передача квантовой информации между фотонами из разных квантовых точек — важный шаг на пути к преодолению больших расстояний», — говорит Михлер.

В эксперименте, проведённом в Штутгарте, квантовые точки были разделены лишь оптическим волокном длиной около 10 м. «Но мы работаем над тем, чтобы увеличить расстояние», — говорит Штробель.

В более ранней работе команда учёных показала, что запутанность фотонов квантовой точки сохраняется даже после 36-километровой передачи через центр Штутгарта. Другая цель — повысить текущий показатель успешности телепортации, который в настоящее время составляет чуть более 70%. Колебания в квантовой точке по-прежнему приводят к небольшим различиям в фотонах.

«Мы хотим уменьшить этот показатель, совершенствуя технологии производства полупроводников», — говорит Штробель. «Проведение этого эксперимента было давней мечтой — эти результаты отражают годы упорной научной работы и прогресса», — говорит доктор Симоне Лука Порталупи, руководитель группы в IHFG и один из координаторов исследования. «Приятно видеть, как эксперименты, направленные на фундаментальные исследования, делают первые шаги к практическому применению».