W dobie rosnącego zagrożenia cyberatakami poszukiwanie niezawodnych metod ochrony danych nabiera strategicznego znaczenia. Jedną z najbardziej obiecujących technologii jest kwantowa dystrybucja klucza (QKD), czyli sposób generowania szyfrowania w oparciu o prawa fizyki kwantowej. Naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego nie tylko podjęli się rozwinięcia tej koncepcji, lecz także jako jedni z pierwszych na świecie pokazali, że da się ją uprościć i unowocześnić przy wykorzystaniu klasycznego, XIX-wiecznego zjawiska optycznego.
Czytaj też: Nielokalność kwantowa bez splątania? Fizycy nie rozumieją, jak to możliwe
Dr Michał Karpiński, kierownik Laboratorium Fotoniki Kwantowej FUW, tłumaczy:
W naszych badaniach zajmujemy się kwantową dystrybucją klucza – technologią, która wykorzystuje pojedyncze fotony do ustanawiania bezpiecznego klucza kryptograficznego między dwiema osobami.
Nowa era komunikacji – nie tylko szybko, ale bezpiecznie
Dotychczas QKD opierało się głównie na kubitach – najprostszych jednostkach informacji kwantowej, które mogą przyjąć jedną z dwóch wartości. Badacze z UW postanowili pójść krok dalej, stosując kodowanie wielowymiarowe. Dzięki superpozycji fotonów w czasie można uzyskać nie dwa, lecz cztery i więcej stanów, co znacznie zwiększa wydajność informacyjną systemu.
Czytaj też: Chiny opanowały kwantową potęgę. Teraz wojna podwodna nabierze nowego wymiaru
Kluczowe znaczenie miało zastosowanie tzw. czasowego efektu Talbota. To zjawisko, znane od 1836 roku, polega na tym, że wzór dyfrakcyjny światła przechodzącego przez siatkę powtarza się w regularnych odstępach. Warszawscy fizycy pokazali, że podobny efekt można uzyskać w domenie czasu, co otworzyło nową drogę do analizy i kodowania informacji kwantowej.
Największym atutem opracowanego systemu jest jego konstrukcja. Zamiast skomplikowanych sieci interferometrów badacze wykorzystali jeden detektor fotonów, co znacznie obniżyło złożoność układu oraz koszt jego budowy.
Doktorant Adam Widomski podkreśla:
Dzięki temu nasza metoda nie wymaga czasochłonnej kalibracji odbiornika i pozwala na wykrywanie superpozycji różnej wymiarowości bez przebudowy sprzętu.
Choć metoda wiąże się z pewnymi błędami pomiarowymi, nie uniemożliwiają one zastosowania jej w praktyce. Wręcz przeciwnie – współpraca z europejskimi ekspertami w dziedzinie kryptografii kwantowej pozwoliła na wypracowanie protokołów bezpieczeństwa, które te ograniczenia skutecznie kompensują.
Nowatorski system QKD został przetestowany nie tylko w warunkach laboratoryjnych, lecz także w miejskiej sieci światłowodowej Uniwersytetu Warszawskiego na dystansie kilkunastu kilometrów. Wyniki badań, opublikowane w czasopismach “Optica Quantum”, “Optica” i “Physical Review Applied”, dowodzą, że zastosowanie kodowania wielowymiarowego przekłada się na zwiększoną wydajność przesyłu informacji i potencjał do komercjalizacji.
Kwantowa komunikacja postrzegana jest dziś jako technologia krytyczna dla bezpieczeństwa cyfrowego państw i biznesu. Badania prowadzone w Warszawie wpisują się w globalny wyścig, w którym uczestniczą czołowe ośrodki z Europy, USA i Chin. Kluczową rolę w projekcie odegrała współpraca międzynarodowa w ramach programu QuantERA, koordynowanego przez Narodowe Centrum Nauki, oraz zaplecze Narodowego Laboratorium Fotoniki i Technologii Kwantowych.