Физики уместили 10 бит в одном фотоне

Физики из нидерландского Университета Твента побили рекорд записи информации в одиночных фотонах, поместив в единичный квант света свыше 10 бит данных.

Новый результат, по словам авторов, позволит значительно улучшить существующие методики квантовой криптографии — в современных устройствах фотон несет лишь один бит информации. Предыдущий рекорд для одиночных фотонов составлял семь бит. Эксперимент описан в препринте на arXiv.org, кратко о нем сообщает MIT Technology Review.

Традиционная методика квантовой криптографии — квантовое распределение ключа — основана на передаче фотонов, закодированных в одном из двух базисов. Например, фотоны могут быть поляризованы вертикально или горизонтально в первом базисе и по одной из диагоналей во втором базисе. Базисы для подготовки и считывания каждого фотона выбираются каждый раз случайным образом, и лишь если они совпадут, информация считается переданной. Такой способ передачи данных в идеальной реализации защищен от атак злоумышленников — любое вмешательство в систему (измерение, например) необратимо изменит свойства фотона и будет обнаружено. Информация, переданная таким способом, будет в дальнейшем использоваться в роли ключа для шифрования данных, передаваемых в открытом канале.

В поляризации фотона можно записать лишь один бит информации — она несет либо «единицу», либо «ноль». Существуют техники, которые позволяют увеличить этот объем. Так, гораздо больше информации можно записать в форме волнового фронта фотона. Для этого используются пространственные модуляторы света (SLM). Эти устройства представляют собой сетки из ячеек, каждая из которых кодирует определенный символ. Если в сетке находится 8×8 ячеек, то она теоретически способна записать в фотон log2 (8×8) — 6 бит информации. Считать этот фотон можно с помощью массива однофотонных детекторов 8×8. На практике объем записываемой информации обычно меньше.

В новой работе авторы использовали для подготовки фотона SLM, состоявший из 9072 ячеек (112 × 81). В идеальном случае ее было бы достаточно для того, чтобы закодировать в волновом фронте фотона более 13 бит информации. Подобная система очень чувствительна к шумам от внешних фотонов, поэтому в эксперименте использовалась следующая система.

С помощью спонтанного параметрического рассеяния из фотона 395-нанометрового лазера физики получали запутанную пару фотонов с длиной волны 790 нанометров. Один из них играл роль «вестника», включавшего массив однофотонных детекторов. Второй фотон попадал на модулятор, перенаправлявший его на один из пикселей детектора. Благодаря фотону-«вестнику» исследователи избегали фиксации посторонних фотонов.

Даже несмотря на это, детектор все равно обладал ненулевым уровнем шумов, который приводил к потере информации. Для того чтобы сделать сигнал более выраженным, ученые понизили разрешение принимающего детектора, объединив несколько однофотонных детекторов в пиксель. В результате авторы добились кодирования 10,5 бит информации в одиночном фотоне.

Из-за неидеальности системы, с точки зрения практического использования емкость полученного канала передачи данных составляет лишь 0,1 бита в фотоне. Это связано с тем, что фотоны теряются в оптических узлах устройства. По словам физиков, эти потери можно устранить. Также авторы отмечают, что полученные результаты можно напрямую применять в современных системах для передачи данных.

Интересно, что именно благодаря использованию SLM американским ученым удалось впервые реализовать на практике систему абсолютно стойкого квантового шифрования. В ее основе лежал тот факт, что в одном фотоне можно записать шесть бит информации — 2,3 бита секретного ключа, 1 бит информации и 2,7 бита избыточной информации для того, чтобы понять, правильно ли расшифровано сообщение. Эта система позволяла передавать ключ для расшифровки сообщений одновременно с самими сообщениями, что невозможно в традиционных методах абсолютно стойкого шифрования.

N+1, Владимир Королёв

Рекомендуємо прочитати

14 судових справ про дискримінацію. Кращі цитати

Рівність завжди вважалась основною правовою категорією....

Це може бути цікавим

Мати покинула на три доби однорічного сина заради дня народження подружки

На Рівненщині мати покинула на 3 доби однорічне дитя, бо пішла святкувати день народження подруги....

загрузка...

Схожі публікації

Дивіться, що пишуть

На Київщині дикий кабан вибіг на дорогу: загинули 3 людей

Уночі, 25 травня на автодорозі "Біла Церква – Сквира", поблизу с....