По мере прогресса квантовых компьютеров становится все более очевидной одна серьезная проблема: многие современные шифровальные системы в конечном итоге могут оказаться уязвимыми.
Одним из наиболее перспективных решений этой проблемы является квантовая криптография — она не основывается на сложности вычислений, а базируется на основных законах физики. Тем не менее, между лабораторными тестами и реальными квантовыми сетями существует значительный технологический разрыв. Таким образом, одной из главных задач на сегодняшний день является разработка компактных, надежных и стабильных устройств, способных «читать» хрупкие квантовые состояния света.
Исследователи из Университета Падуи, Миланского политехнического университета и Института фотоники и нанотехнологий CNR предложили неожиданно простое решение этой задачи: стекло. В своей работе команда наглядно продемонстрировала, что высокоэффективный квантовый когерентный приемник можно создать прямо внутри боросиликатного стекла с использованием фемтосекундной лазерной записи. Этот метод обеспечивает минимальные оптические потери, высокую стабильность и отличную совместимость с существующей волоконно-оптической инфраструктурой.
В системах квантовой связи с непрерывными переменными — к примеру, в квантовом распределении ключей (QKD) и квантовых генераторах случайных чисел (QRNG) — необходимо точно измерять амплитуду и фазу световой волны. Для этого слабый квантовый сигнал интерферирует с более мощным опорным лучом. Ранее подобные приемники чаще всего изготавливались на кремнии, однако у этой платформы имеются серьезные ограничения: чувствительность к поляризации и сравнительно высокие потери, которые снижают стабильность и надежность передачи данных.
Стекло свободно от этих недостатков. Оно практически не реагирует на поляризацию, отличается высокой стабильностью и позволяет создавать трехмерные волноводы с минимальными потерями. С применением лазерной микромеханической обработки ученые фактически «рисуют» внутри стекла оптические каналы, формируя сложные фотонные схемы без необходимости дорогостоящих полупроводниковых производств.
На одном таком чипе команда реализовала полностью настраиваемый гетеродинный приемник. Устройство продемонстрировало потери всего около 1 дБ, независимость от поляризации и высокое подавление классических шумов, а также стабильную работу в течение как минимум восьми часов. Благодаря этим характеристикам один и тот же чип удалось использовать сразу для двух квантовых технологий. В режиме генератора случайных чисел он обеспечил защищенную скорость 42,7 Гбит/с — это рекорд для модели, где источник сигнала считается недоверенным. В режиме квантового распределения ключей система достигла скорости 3,2 Мбит/с на эквиваленте волоконной линии длиной 9,3 км.
Авторы подчеркивают, что сочетание надежности, низких потерь и простоты производства делает стеклянную интегральную фотонику многообещающим кандидатом для квантовых сетей, которые будут интегрированы в нашу повседневную жизнь — от наземных линий связи до будущих космических миссий. Простота разработки позволяет квантовой криптографии выйти за пределы лабораторий и стать частью реальной инфраструктуры.
Фото: hi-tech.mail.ru