Кудиты заменяют кубиты: новый этап в защите квантовой информации на дистанции 100 км

Исследователи из Пенсильванского университета создали инновационный микролазер, предназначенный для безопасной передачи квантовой информации. Этот прибор использует высокоразмерные квантовые состояния — кудиты, что существенно расширяет возможности квантовой связи, превосходя традиционные двумерные кубиты.

Профессор Лян Фэн совместно с коллегой Ли Ге из Городского университета Нью-Йорка возглавили исследование. Их разработка улучшает передачу квантовых сообщений, делая их более устойчивыми к помехам и закладывая основу для создания высокоразмерных защищённых квантовых сетей будущего.

Фэн объясняет: «Мы сократили масштаб традиционных оптических установок, используемых для генерации квантовых сигналов, до миниатюрного лазерного чипа. Это позволило снизить энергопотребление при сохранении высокой устойчивости сигнала».

Комактность устройства позволяет использовать его в портативных решениях. К примеру, финансист с Уолл-стрит может безопасно носить его с собой, не опасаясь, что фоновый шум улиц негативно повлияет на передачу и приём данных.

Система квантового распределения ключей (QKD) производит спин-орбитальные фотонные кудиты, которые кодируют информацию благодаря изменению формы светового луча (орбитального углового момента) и его поляризации. Таким образом, вместо использования одного свойства фотона, система выполняет более сложные, высокоразмерные задачи кодирования.

Прорыв стал возможен благодаря применению неэрмитовой физики, которая позволяет гибко контролировать поток энергии и информации в системе. В отличие от традиционных эрмитовых систем, предоставляющих жёсткие рамки, неэрмитовые структуры предоставляют новые возможности для динамической настройки и управления обменом энергией.

Эксперименты показали, что система обеспечивает надёжную передачу квантовых ключей, сохраняя их целостность на дистанциях свыше 100 км при атмосферной передаче. Чжан добавляет: «С дальнейшей оптимизацией мы сможем преодолеть барьер в 500 км, что открывает возможность для квантовой связи между наземными станциями и спутниками».

В будущем команда намерена повысить размерность системы для более надёжной и обширной передачи квантовой информации. Они также планируют испытать устройство в реальных условиях, например, в волоконно-оптических сетях, и исследовать его потенциал в разнообразных сценариях, включая ключевые узлы квантовых сетей.

Источник: iXBT