Большой шаг к сверхбезопасной квантовой связи благодаря новому источнику запутанности

Исследователи сделали важный шаг на пути к сверхбезопасной квантовой связи, успешно объединив две концепции, удостоенные Нобелевской премии: запутанность и квантовые точки.

 Интегрировав квантовые точки в нанопроволоку, ученые создали практически идеальный источник запутанных фотонов, что позволило значительно улучшить эффективность запутывания по сравнению с предыдущими методами. Это открытие позволило смоделировать "квантовое распределение ключей", одну из самых надежных технологий связи.

Квантовая запутанность - это явление, при котором несколько пар частиц образуют связанную систему и демонстрируют взаимозависимые квантовые состояния, независимо от расстояния между ними. Впервые этот принцип был экспериментально продемонстрирован Аленом Аспектом, Джоном Клаузером и Антоном Цайлингером, которые были удостоены Нобелевской премии по физике в 2022 году.

С тех пор это явление широко изучается с точки зрения его потенциального применения в передовых технологиях связи и визуализации. Однако получение стабильных запутываний, необходимых для таких применений, остается серьезной проблемой. "Высокая степень запутанности и высокая эффективность необходимы для таких интересных приложений, как квантовое распределение ключей или квантовые ретрансляторы, которые должны увеличить расстояние безопасной квантовой связи в глобальном масштабе или связать удаленные квантовые компьютеры", - объясняет Майкл Реймер, представитель Института квантовых вычислений (IQC) при Университете Ватерлоо (Бельгия).

Чтобы преодолеть эту проблему, ученые исследовали квантовые точки. Впервые их исследовали Мунги Бавенди, Луи Брус и Алексей Екимов, которые были удостоены Нобелевской премии по химии в 2023 году. Квантовые точки - это кристаллические наноструктуры полупроводников, содержащие от нескольких сотен до нескольких тысяч атомов. Предполагается, что их структура обеспечивает достаточно высокий уровень конфайнмента для эффективного генерирования идеально запутанных фотонов.

Однако и здесь возникает трудность, связанная с явлением, известным как "расщепление тонкой структуры". "Системы квантовых точек исторически сталкивались с проблемой, называемой расщеплением тонкой структуры, которое приводит к тому, что запутанное состояние осциллирует во времени. Это означает, что измерения, проводимые с помощью медленной системы детектирования, не позволяют измерить запутанность", - объясняет Маттео Пеннаккиетти, также исследователь из IQC.

В своем новом исследовании, недавно опубликованном в журнале Communications Physics, Пеннаккиетти и его коллеги предлагают преодолеть эти две трудности одновременно с помощью новой системы квантовых точек. Они позволили получить практически идеальные пары запутанных фотонов. "Предыдущие эксперименты демонстрировали либо почти идеальную запутанность, либо высокую эффективность, но мы первыми выполнили оба этих требования с помощью квантовой точки", - говорит Реймер.

Новая система генерирует пары фотонов с максимальным уровнем запутанности 98%, что в 65 раз эффективнее предыдущих методов. Она также обладает высокой стабильностью, что делает ее идеальной для использования в таких приложениях, как квантовое распределение ключей (QKD). QKD - это система для высокозащищенного обмена конфиденциальной информацией между двумя людьми, общающимися по общему каналу. Она позволяет двум людям генерировать и обмениваться секретными ключами, которые используются для шифрования и дешифрования сообщений. Поскольку система основана на квантовой механике, вторжение, вызвавшее аномалии, будет немедленно обнаружено.