Wyniki opublikowane m.in. w „Optica Quantum”, „Optica” oraz „Physical Review Applied” streszczono w komunikacie Wydziału Fizyki UW. System przetestowano w laboratorium i na światłowodach UW, na dystansie kilkunastu kilometrów. – Dzięki czasowemu efektowi Talbota zademonstrowaliśmy QKD z użyciem dwu- i czterowymiarowego kodowania przy tym samym nadajniku i odbiorniku – wyjaśnia współautor badań doktorant Adam Widomski. Mimo błędów, metoda zwiększa wydajność informacyjną dzięki właściwościom kodowania wielowymiarowego.

Jak wyjaśnia dr Michał Karpiński, kierownik Laboratorium Fotoniki Kwantowej FUW, standardowo w QKD używa się kubitów, jednak mają one ograniczenia. Tymczasem kodowanie wielowymiarowe, oparte na złożonych stanach kwantowych, pozwala przekazywać więcej informacji. Naukowcy z FUW badają superpozycje fotonów w czasie – stany, w których foton jest jednocześnie „wcześniej” i „później”. Informacja zapisana jest w fazie fali świetlnej. Dotąd badano głównie superpozycje dwóch impulsów, badacze z UW rozszerzyli to na większą liczbę przedziałów czasowych.

Inspiracją stał się efekt Talbota, opisany w 1836 r. przez Henry’ego Foxa Talbota. W światłowodzie, dzięki dyspersji, ciąg impulsów świetlnych może się „samoodtworzyć” w czasie, podobnie jak w klasycznej siatce dyfrakcyjnej. – Pozwala to analizować i przetwarzać stany kwantowe pojedynczych fotonów – tłumaczy doktorant Maciej Ogrodnik.

Zespół stworzył czterowymiarowy system QKD, oparty na komercyjnych komponentach i jednym detektorze fotonów. A to oznacza, że nie potrzebna jest skomplikowana sieć interferometrów. – To obniża koszty i upraszcza układ, bez konieczności kalibracji – podkreśla Widomski. W odróżnieniu od tradycyjnych metod, efektywność detekcji nie spada wraz ze wzrostem liczby impulsów. Wadą są może większe błędy, ale mimo że występują, kwantowa dystrybucja klucza dalej jest możliwa. Co więcej, ta sama aparatura pozwala wykrywać superpozycje różnych wymiarów.

Największą zaletą QKD jest udowodnione teoretycznie bezpieczeństwo. Dlatego badacze współpracowali z grupami z Włoch i Niemiec, analizując możliwe luki w protokołach. – Wykazano, że modyfikacja odbiornika pozwala zebrać więcej danych i wyeliminować podatność. Dowód bezpieczeństwa opisano w „Physical Review Applied” – mówi Ogrodnik.

Projekt nie tylko przyniósł nowe wyniki naukowe, ale też pozwolił zbudować kompetencje w zakresie nowoczesnych technologii kwantowych w laboratoriach FUW. Badania realizowano w ramach międzynarodowego programu QuantERA, koordynowanego przez NCN.

Nauka w Polsce

lt/ agt/