Штутгарт провів КРК на основі заплутаності з квантовою точкою прокладеним волокном кампусу

Команда на чолі зі Штутгартом отримала 14,2 Мбіт секретного ключа на 1,59 км волокна кампусу із заплутаними фотонами квантової точки, переведеними в телеком-діапазон.

Цю сторінку перекладено з англійської. Назви компаній і продуктів, а також посилання на джерела залишено без змін. Читати оригінал англійською

Команда під керівництвом Штутгартського університету здійснила квантовий розподіл ключів (КРК, QKD) на основі заплутаності вже прокладеною волоконною лінією, використовуючи фотони напівпровідникової квантової точки, а не ослаблені лазери чи нелінійні кристали, на яких ґрунтується більшість польових систем. У препринті Deployed entanglement-based BBM92 quantum key distribution using frequency-converted photons emitted by a quantum dot, опублікованому 27 жовтня, 17 авторів повідомляють про швидкість генерування секретного ключа 206 Гц, що зберігалася 19 годин на кампусі Штутгарт-Файгінген.

Що оголошено

Згідно з анотацією, лінія охоплювала 1,59 км прокладеного волокна й загалом дала 14,2 Мбіт секретного ключа, яким команда зашифрувала та розшифрувала кольорове зображення. Quantum Computing Report повідомляє, що в роботі брали участь також Саарський університет і Leibniz IFW Dresden, і описує шифрування зображення як одноразовий блокнот (one-time pad).

Технічні подробиці

Джерелом є квантова точка з арсеніду галію, отримана методом краплинного травлення (droplet-etched); вона випромінює пари фотонів, заплутаних за поляризацією, на довжині хвилі близько 780 нм за частоти збудження 1 ГГц. Оскільки таке випромінювання погано поширюється стандартним телекомунікаційним волокном, команда застосувала квантове перетворення частоти, щоб перевести один фотон кожної пари в телеком-діапазон, зберігши поляризаційну заплутаність. За даними QCR, перетворювач типу Саньяка з внутрішньою ефективністю до 50% переводив фотони з 779,8 нм на 1515 нм.

Інші показники, наведені QCR:

точність 91,4% щодо цільового стану Белла у вікні збігів 275 пікосекунд;
сумарні втрати 1,09 дБ на волоконній лінії, яка з’єднує лабораторію з приймальною стійкою в іншій частині кампусу й має моторизоване відстеження поляризації;
швидкість сирого ключа 504 Гц і секретного — 206 Гц за середньої квантової бітової похибки 4,70%, що нижче за поріг 11% для протоколу BBM92;
корекція помилок блоками LDPC по 5000 біт і посилення секретності за допомогою гешування Тепліца.

За даними QCR, щогодинні перевірки поляризації з моторизованими хвильовими пластинками підтримували стабільність лінії всі 19 годин, а незначні спади пропускної здатності пояснювалися тепловим дрейфом вузькосмугового фільтра.

Чому це важливо

Квантові точки здатні випромінювати фотони на вимогу, що дає змогу уникнути фундаментального компромісу лазерних і кристалічних джерел між яскравістю та небажаною багатофотонною емісією. Їхньою слабкою стороною була довжина хвилі. За словами авторів, експеримент показує, що яскраве джерело заплутаних фотонів із високою частотою роботи, ефективний перетворювач частоти та синхронізація часу з пікосекундною точністю можуть працювати разом у реальній прокладеній мережі — це крок до гібридних квантових мереж.

На що зважати

Результати представлено в препринті, який ще не пройшов рецензування. Відстань відповідає масштабу кампусу. Наступні питання — чи збереже підхід працездатність на міських відстанях і в багатовузлових мережах і чи зросте швидкість секретного ключа з підвищенням ефективності джерела та перетворювача.