Учёные совершили прорыв в области квантовой криптографии, создав систему распределения квантовых ключей (QKD) на основе полупроводниковых квантовых точек (SQD). Эти крошечные источники света способны генерировать одиночные фотоны высочайшего качества, что позволяет передавать данные с практически абсолютной защитой от взлома. Новая технология, основанная на эффекте Пурселла, который увеличивает скорость излучения фотонов из квантовой точки при помещении её в оптический резонатор, позволяет излучать фотоны быстрее и с большей вероятностью, подавляя нежелательные процессы и улучшая чистоту однофотонных состояний. Это напрямую повышает скорость генерации ключей и снижает уровень ошибок, что обещает стать основой будущего квантового интернета, устойчивого к самым сложным атакам.
Международная команда исследователей из Германии и Китая впервые в истории продемонстрировала работу системы QKD с кодированием временных интервалов (time-bin encoding), использующей квантовые точки в телекоммуникационном С-диапазоне (1530–1565 нм). Выбор этого диапазона не случаен — именно в нём достигается минимальное затухание сигнала в стандартном оптоволокне (около 0,2 дБ/км), что позволяет передавать квантовые состояния на десятки километров без регенерации. В ходе эксперимента учёным удалось передать квантовые ключи по оптоволокну на расстояние более 120 километров. Система работала непрерывно более шести часов, сохраняя стабильность без необходимости ручной настройки.
Прототип показал рекордную для таких систем скорость генерации защищённых ключей — около 15 бит в секунду при частоте работы источника 76 МГц. Даже после прохождения 120 км стандартного оптоволокна уровень ошибок не превышал 11%. По словам учёных, этой скорости достаточно для практического применения в шифровании текстовых сообщений в реальных условиях. Для сравнения, 15 бит в секунду означает генерацию 15 надёжных секретных ключей в секунду — этого вполне хватает для периодической смены ключей в системах симметричного шифрования (например, AES-256) при передаче небольших объёмов критичных данных: команд управления инфраструктурой, банковских транзакций или голосовой связи.
Главное преимущество новой технологии — использование временного кодирования, при котором информация закладывается во временные промежутки между фотонами. В отличие от традиционных систем, чувствительных к вибрациям, перепадам температуры и воздушным потокам, этот метод остаётся устойчивым к внешним помехам. Учёным даже не понадобились сложные системы активной компенсации — квантовые биты сохраняли стабильность естественным образом.
Исследователи назвали свою работу важным шагом к созданию масштабируемых квантовых сетей. Они уверены, что квантовые точки с эффектом Пурселла, генерирующие яркие фотоны, смогут стать основой для межгородских линий связи. «Наш результат показывает, что системы на основе квантовых точек можно интегрировать в стабильные и готовые к полевому применению сети квантовой безопасности», — подчеркнули авторы.
Источник: Scientists just sent unhackable quantum keys across 120 kilometers