Fotonski „vremenski okviri“ i signalna stabilnost daju nadu za praktičnu kvantnu komunikaciju

Istraživači iz Instituta Lajbnic za fotonsku tehnologiju (IPHT) u Jeni razvili su dva komplementarna metoda koji bi kvantnu komunikaciju putem optičkih vlakana mogli učiniti praktičnom van laboratorije.

Jedan pristup znatno uvećava količinu informacija koja može biti kodirana u jednom fotonu; drugi poboljšava stabilnost kvantnog signala na velikim distancama. Oba metoda se oslanjaju na standardne telekomunikacione komponente, omogućavajući realističan put bezbednog prenosa podataka kroz postojeće optičke mreže.

Preporučujemo

Od bolnica do državnih agencija i industrijskih postrojenja – svuda gde osetljivi podaci moraju biti obezbeđeni – kvantna komunikacija bi jednog dana mogla imati ključnu ulogu.

Umesto prenosa električnih signala, ova tehnologija koristi individualne čestice svetlosti – fotone – kodirane u delikatna kvantna stanja. Jedna od bitnih prednosti je da bilo koji pokušaj presretanja ili uticaja na signal remeti kvantno stanje, čineći prisluškivanje ne samo primetnim, već inherentno ograničenim.

Međutim, iznošenje kvantne komunikacije iz laboratorije u stvarni svet predstavlja ozbiljne tehničke izazove. Kako foton može da nosi više informacija? I kako signali mogu da ostanu stabilni na velikim distancama, uprkos distorzijama zbog prenosa optičkim vlaknima?

Istraživači demonstriraju novu fotonsku platformu koja znatno povećava gustinu informacija po fotonu i drugu tehniku koja održava integritet signala tokom stotina kilometara optičkog vlakna – uz korišćenje komponenti današnjih telekomunikacionih mreža.

Centralna inovacija je prenos informacija putem preciznog vremena dolaska svakog protona – u suštini, u koji od nekoliko sićušnih vremenskih okvira upada. Tradicionalni sistemi razlikuju samo dva takva vremenska okvira. Nova platforma koju su zajedno razvili istraživači iz Instituta za naučno istraživanje (INSR) u Kanadi i nemačkog Lajbnic IPHT-a povećava taj broj na osam, omogućavajući drastično povećanje protoka podataka.

„To je poput sistema fioka. Umesto samo jedne fioke, sad možemo da otvorimo nekoliko odjednom – a svaka nosi sopstveni deo poruke“, kažu naučnici.

Platforma se oslanja na specijalno dizajniran fotonski čip napravljen sa silicijum-nitridom, idealnim materijalom za navođenje svetlosti u sićušnim razmerama. Integrisani su minijaturni interferometri sposobni za stvaranje i procesuiranje upletenih fotona, pomoću standardnih telekomunikacionih komponenti.

U laboratorijskim testovima, sistem je uspešno preneo kvantne informacije preko 60 kilometara optičkih vlakana – tipična distanca između dva mrežna čvora. To znači da više ljudi može deliti bezbedne kvantne kanale sa visokim stopama podataka širom postojećih optičkih mreža.

Drugi izazov je bilo održavanje kvaliteta signala na dugim distancama. Jedan ključni problem je disperzija – fizički efekat koji rasteže svetlosne pulseve u vremenu, zamagljujući precizne distinkcije vremenskog okvira.

Umesto analiziranja fotona individualno, istraživači su pratili vreme zajedničkog dolaska parova fotona. Ovaj parametar ostaje stabilan čak i u uslovima jake disperzije i prvi put je upotrebljen za praktičnu komunikaciju.

Tako je povećan domet bezbedne kvantne veze na ekvivalent od 200 kilometara optičkog vlakna, unapređujući i kvalitet signala i otpornost na poremećaje.

Prva studija pokazuje kako da se upakuje više informacija u svaki foton. Druga pokazuje kako osigurati pouzdan protok informacija – čak i u mrežama u stvarnom svetu. Ova dva pristupa dopunjuju jedan drugi.

Oba koraka su deo većeg nastojanja da se kvantna komunikacija iz sveta teorije i laboratorijskih eksperimenata prebaci na polje praktične primene. Cilj je da kvantna komunikacija bude izvodljiva putem sistema koji se integrišu u današnju telekomunikacionu infrastrukturu. Premošćavamo jaz između fundamentalnog istraživanja i primene, kažu istraživači.

Istraživačka grupa Pametna fotonika u Lajbnic IPHT-u istražuje raskršće nelinearne optike, mašinskog učenja i obrade neuromorfnih podataka – inspirisano načinom rada ljudskog mozga.

Dugoročni cilj je ne samo prenos informacija putem svetlosti, već analiza i tumačenje direktno u optičkim sistemima – radi primena u rasponu od ultrabrze dijagnostike do energetski efikasnog optičkog računarstva.

(Telegraf Nauka/Phys.org)