Исследователи из Penn Engineering создали чип, который превосходит по безопасности и надежности существующие аппаратные средства квантовой связи. Их технология взаимодействует в «кудитах», удваивая квантовое информационное пространство любого предыдущего лазера на кристалле.
Лян Фэн, профессор факультетов материаловедения и инженерии (MSE) и электрических систем и инженерии (ESE), вместе с докторантом MSE Чжифэном Чжаном и доктором наук ESE. студент Хаоци Чжао представил технологию в недавнем исследовании, опубликованном в журнале Nature . Группа работала в сотрудничестве с учеными из Миланского политехнического университета, Института междисциплинарной физики и сложных систем, Университета Дьюка и Городского университета Нью-Йорка (CUNY).
Биты, кубиты и кудиты
В то время как неквантовые чипы хранят, передают и вычисляют данные, используя биты, современные квантовые устройства используют кубиты. Биты могут быть равны 1 или 0, а кубиты — это единицы цифровой информации, способные одновременно принимать значения 1 и 0. В квантовой механике это состояние одновременности называется «суперпозицией».
Квантовый бит в состоянии суперпозиции более двух уровней называется кудитом, чтобы сигнализировать об этих дополнительных измерениях .
«В классической связи, — говорит Фэн, — лазер может излучать импульс, закодированный как 1 или 0. Эти импульсы могут быть легко скопированы перехватчиком, стремящимся украсть информацию, и поэтому они не очень безопасны. В квантовых коммуникациях с кубитами импульс может иметь любое состояние суперпозиции между 1 и 0. Суперпозиция делает так, что квантовый импульс невозможно скопировать. В отличие от алгоритмического шифрования, которое блокирует хакеров с помощью сложной математики, квантовая криптография — это физическая система, обеспечивающая безопасность информации».
Однако кубиты не идеальны. Имея только два уровня суперпозиции, кубиты имеют ограниченное пространство для хранения и низкую устойчивость к помехам.
Четырехуровневые кудиты устройства Feng Lab обеспечивают значительный прогресс в квантовой криптографии, повышая максимальную скорость секретного ключа для обмена информацией с 1 бита на импульс до 2 битов на импульс. Устройство предлагает четыре уровня суперпозиции и открывает двери для дальнейшего увеличения размеров.
«Самая большая проблема, — говорит Чжан, — заключалась в сложности и немасштабируемости стандартной установки. Мы уже знали, как создавать эти четырехуровневые системы, но для этого требовалась лаборатория и множество различных оптических инструментов для контроля всех связанных параметров. с увеличением размера. Нашей целью было добиться этого на одном чипе. И это именно то, что мы сделали».
Физика кибербезопасности
Квантовая связь использует фотоны в строго контролируемых состояниях суперпозиции. Такие свойства, как местоположение, импульс, поляризация и спин, существуют как множественности на квантовом уровне, каждое из которых определяется вероятностями. Эти вероятности описывают вероятность того, что квантовая система — атом, частица, волна — приобретет один атрибут при измерении.
Другими словами, квантовых систем нет ни здесь, ни там. Они и здесь, и там. Только акт наблюдения — обнаружение, просмотр, измерение — заставляет квантовую систему приобретать фиксированное свойство. Подобно субатомной игре Статуй, квантовые суперпозиции принимают единое состояние, как только за ними наблюдают, что делает невозможным их перехват без обнаружения или копирование.
Гиперпространственный спин-орбитальный микролазер основан на более ранней работе группы с вихревыми микролазерами , которые точно настраивают орбитальный угловой момент (ОУМ) фотонов. Самое последнее устройство улучшает возможности предыдущего лазера, добавляя еще один уровень управления фотонным вращением.
Этот дополнительный уровень контроля — возможность манипулировать и связывать OAM и вращение — является прорывом, который позволил им создать четырехуровневую систему.
Сложность управления всеми этими параметрами одновременно — это то, что мешало генерации кудитов в интегрированной фотонике и представляет собой главное экспериментальное достижение работы группы.
«Подумайте о квантовых состояниях нашего фотона как о двух планетах, расположенных друг над другом», — говорит Чжао. «Раньше у нас была информация только о широте этих планет. При этом мы могли создать максимум два уровня суперпозиции. У нас не было достаточно информации, чтобы сложить их в четыре. Теперь у нас есть и долгота. информация, необходимая нам для совместного управления фотонами и достижения увеличения размеров. Мы координируем вращение и вращение каждой планеты и удерживаем две планеты в стратегическом отношении друг к другу».
Квантовая криптография с Алисой, Бобом и Евой
Квантовая криптография полагается на суперпозицию как на защитную печать. В популярном криптографическом протоколе, известном как квантовое распределение ключей (QKD), случайно сгенерированные квантовые состояния отправляются туда и обратно между отправителем и получателем для проверки безопасности канала связи.
Если отправитель и получатель (всегда Алиса и Боб в мире криптографии) обнаруживают определенное несоответствие между своими сообщениями, они знают, что кто-то пытался перехватить их сообщение. Но если передача остается в основном неповрежденной, Алиса и Боб понимают, что канал безопасен, и используют квантовую передачу в качестве ключа для зашифрованных сообщений.
Как это улучшает безопасность неквантовой связи? Если мы представим фотон как сферу, вращающуюся вверх, мы сможем получить приблизительное представление о том, как фотон мог бы классически кодировать двоичную цифру 1. Если мы представим его вращающимся вниз, мы поймем 0.
Когда Алиса отправляет классические фотоны, закодированные в битах, Ева-подслушиватель может украсть, скопировать и заменить их без ведома Алисы или Боба. Даже если Ева не сможет расшифровать украденные данные, она может приберечь их для ближайшего будущего, когда достижения в области компьютерных технологий позволят ей прорваться.
Квантовая связь добавляет более сильный уровень безопасности. Если мы представим фотон как сферу, вращающуюся вверх и вниз одновременно, одновременно кодирующую 1 и 0, мы получим представление о том, как кубит сохраняет размерность в своем квантовом состоянии.
Когда Ева попытается украсть, скопировать и заменить кубит, ее способность захватывать информацию будет скомпрометирована, и ее вмешательство будет проявляться в потере суперпозиции. Алиса и Боб будут знать, что канал не защищен, и не будут использовать ключ безопасности, пока не докажут, что Ева не перехватывала его. Только тогда они отправят предполагаемые зашифрованные данные, используя алгоритм, активированный ключом кубита.
Однако, хотя законы квантовой физики могут помешать Еве скопировать перехваченный кубит, она может нарушить работу квантового канала. Алисе и Бобу нужно будет продолжать генерировать ключи и отправлять их туда и обратно, пока она не перестанет вмешиваться. Случайные возмущения, которые разрушают суперпозицию, когда фотон путешествует в пространстве, также вносят свой вклад в интерференционные картины.
Информационное пространство кубита, ограниченное двумя уровнями, имеет низкую устойчивость к этим ошибкам.
Для решения этих проблем квантовая коммуникация требует дополнительных измерений. Если мы представим фотон, вращающийся (как Земля вращается вокруг Солнца) и вращающийся (как Земля вращается вокруг своей оси) в двух разных направлениях одновременно, мы получим представление о том, как работают кудиты Лаборатории Фэн.
Если Ева попытается украсть, скопировать и заменить кудит, она не сможет извлечь никакой информации, и ее вмешательство будет очевидным. Отправляемое сообщение будет иметь гораздо большую устойчивость к ошибкам — не только к вмешательству Евы, но и к случайным ошибкам, возникающим по мере того, как сообщение путешествует в пространстве. Алиса и Боб смогут эффективно и безопасно обмениваться информацией.
«Существует большое беспокойство, — говорит Фэн, — что математическое шифрование, каким бы сложным оно ни было, будет становиться все менее и менее эффективным, потому что мы так быстро продвигаемся в вычислительных технологиях. Квантовая коммуникация опирается на физические, а не на математические барьеры, что делает ее неуязвимой. к этим будущим угрозам. Как никогда важно, чтобы мы продолжали развивать и совершенствовать технологии квантовой связи».
