Квантовая криптография с использованием компактных и высокоскоростных однофотонных наноустройств на основе квантовых точек. Фото: Ларс Людер

На протяжении десятилетий учёные считали, что для надёжного квантового шифрования необходимы безупречные источники света, а это практически невозможно. Но одна команда учёных перевернула всё с ног на голову, используя крошечные «квантовые точки» и новые продуманные протоколы.

Заставив несовершенный свет вести себя более безопасно, они доказали, что зашифрованные сообщения могут передаваться дальше и безопаснее, чем когда-либо прежде. Реальные испытания показали, что их метод превосходит даже самые лучшие современные системы, значительно приближая нас к практичной и доступной квантово-безопасной связи.

Прорыв в области квантового шифрования

Группа физиков совершила прорыв, который может приблизить безопасную квантовую связь к повседневному использованию — без необходимости в безупречном оборудовании.

Исследование, проведённое аспирантами Ювалем Блумом и Йоадом Орданом под руководством профессора Ронена Рапапорта из Института физики Рака при Еврейском университете в сотрудничестве с исследователями из Лос-Аламосской национальной лаборатории и опубликованное в PRX Quantum, представляет собой новый практический подход, который значительно улучшает способ передачи квантово-зашифрованной информации с помощью световых частиц — даже при использовании несовершенного оборудования.

Как справиться с задачей 40-летней давности

На протяжении четырёх десятилетий «Святой Грааль» квантового распределения ключей (КРК) — науки о создании не поддающегося взлому шифрования с использованием квантовой механики — зависел от одного труднодостижимого требования: идеально сконструированных однофотонных источников. Это крошечные источники света, которые могут испускать по одной световой частице (фотону) за раз. Но на практике создание таких устройств с абсолютной точностью оказалось чрезвычайно сложным и дорогостоящим.

Чтобы решить эту проблему, в данной области активно используются лазеры, которые проще в производстве, но не идеальны. Эти лазеры посылают слабые световые импульсы, содержащие небольшое, но непредсказуемое количество фотонов. Это компромиссное решение, которое ограничивает как безопасность, так и расстояние, на которое можно безопасно передавать данные, поскольку опытный злоумышленник может «украсть» биты информации, которые кодируются одновременно на нескольких фотонах.

Лучший способ с несовершенными инструментами

Блум, Ордан и их команда изменили сценарий. Вместо того чтобы ждать появления идеальных источников фотонов, они разработали два новых протокола, которые работают с тем, что у нас есть сейчас — субпуассоновские источники фотонов на основе квантовых точек, которые представляют собой крошечные полупроводниковые частицы, ведущие себя как искусственные атомы.

Динамически изменяя оптическое поведение этих квантовых точек и соединяя их с наноантеннами, команда смогла настроить процесс испускания фотонов. Такая тонкая настройка позволила им предложить и продемонстрировать две усовершенствованные стратегии шифрования:

Усечённый протокол ложного состояния: новая версия широко используемого подхода к квантовому шифрованию, адаптированная для несовершенных источников одиночных фотонов, которая отсеивает потенциальные попытки взлома, связанные с многофотонными событиями.

Прототип протокола очистки: новый метод, который значительно повышает безопасность сигнала за счёт «фильтрации» лишних фотонов в режиме реального времени, что позволяет записывать только настоящие однофотонные биты.

В ходе моделирования и лабораторных экспериментов эти методы превзошли даже лучшие версии традиционных методов квантового распределения ключей на основе лазера, увеличив расстояние, на котором можно безопасно обмениваться ключами, более чем на 3 децибела, что является значительным прорывом в этой области.

Реальное тестирование квантовых сетей

Чтобы доказать, что это не просто теория, команда создала реальную систему квантовой связи с использованием источника квантовых точек, работающего при комнатной температуре. Они запустили новую усиленную версию хорошо известного протокола шифрования BB84 — основы многих систем распределения квантовых ключей — и показали, что их подход не только осуществим, но и превосходит существующие технологии.

Более того, их подход совместим с широким спектром квантовых источников света, что потенциально снижает затраты и технические барьеры для масштабного внедрения квантово-защищённой связи.

На пути к доступной квантово-защищённой связи

«Это значительный шаг на пути к практичному и доступному квантовому шифрованию, — сказал профессор Рапапорт. — Это показывает, что для достижения исключительной производительности нам не нужно идеальное оборудование — нам просто нужно более разумно использовать то, что у нас есть».

Соавтор исследования Юваль Блум добавил: «Мы надеемся, что эта работа поможет создать реальные квантовые сети, которые будут одновременно безопасными и доступными. Самое классное, что нам не нужно ждать: это можно реализовать с помощью того, что уже есть во многих лабораториях по всему миру».

Ссылка: «Протоколы ложных состояний и очистки для превосходного квантового распределения ключей с использованием несовершенных однофотонных источников на основе квантовых точек: теория и эксперимент» Юваля Блума, Йоада Ордана, Тамар Левин, Кфира Сулимани, Эрика Г. Боуза, Дженнифер А. Холлингсворт и Ронена Рапапорта, 21 августа 2025 г., PRX Quantum. DOI: 10.1103/7fdd-m92n