Úspěch na poli kvantové kryptografie

Výzkumník Matej Pivoluska z ÚVT si pro své bádání vybral obor kvantové kryptografie, kde v současnosti dosáhl významného úspěchu. Se spolupracovníky v mezinárodním týmu se mu podařilo vyvinout nový protokol kvantové kryptografie, který umožňuje vyšší rychlost přenosu dat a je současně mnohem odolnější vůči šumu.

Kvantová kryptografie je jednou z nejslibnějších kvantových technologií naší doby. Čím je zajímavá? Na dvou různých místech se generují přesně ta samá náhodná data – a zákony kvantové fyziky zaručují, že tato data nemůže zachytit žádná třetí strana. Vzniká tak kód, zvaný také tajný klíč, pomocí kterého je možné informace dokonale zašifrovat.

Matej Pivoluska z ÚVT spolu s kolegy z Atom Institute TU Wien vyvinuli nový typ protokolu kvantové kryptografie, který byl momentálně testovaný ve spolupráci s čínskými výzkumnými skupinami. Zatímco doteď se běžně v praxi používaly fotony, které mohou být ve dvou různých stavech, u nového typu protokolu je situace komplikovanější. Každý z fotonů může projít jednou z osmi různých cest. Jak však výzkumný tým nedávno dokázal, generování kvantového kryptografického klíče pomocí této nové metody je rychlejší a také výrazně odolnější vůči šumu. Nové výzkumné výsledky byly také publikovány ve vědeckém časopise Physical Review Letters.

Dva stavy a dvě dimenze

Existuje mnoho způsobů použití fotonů na přenos informací. Experimenty často pracují s polarizací fotonů. To znamená, že nuly a jedničky, pomocí kterých se zasílaná informace dá zapsat, se kódují do kmitání fotonu. Fotony mohou kmitat horizontálně nebo vertikálně – anebo dokonce v kvantovo-mechanickém superpozičním stavu, ve kterém v jistém smyslu kmitají oběma způsoby současně. Podobně jako můžete opsat bod v dvojrozměrné rovině s dvěma souřadnicemi, stav fotonu může být reprezentovaný jako bod v dvojrozměrném prostoru. Foton však může přenášet informace i nezávisle na směru polarizace. Je možné například použít informaci o tom, po které dráze se foton aktuálně pohybuje.

Přesně to se využilo v novém protokolu, kdy laserový paprsek generuje páry fotonů ve speciálním druhu krystalu. V krystalu je osm různých bodů, kde tento pár může vzniknout. V závislosti od bodu, ve kterém byl pár vytvořený, se každý z dvou fotonů může pohybovat po osmi různých cestách – anebo po několika drahách současně, což je také povoleno podle zákonů kvantové teorie.

Tyto dva fotony je možné nasměrovat na úplně odlišné místa a tam je analyzovat. Měřící přístroje na obou místech odměří jednu z osmi možností úplně náhodně – ale protože jsou dva fotony kvantově-fyzikálně zapletené, na obou místech se vždy dosáhne stejného výsledku. Kdo stojí při prvním měřícím zařízení, ví, co v druhém měřícím zařízení současně zjišťuje jiná osoba – a nikdo jiný ve vesmíru nemůže tyto informace zachytit.

Osm stavů a osm dimenzí

Skutečnost, že se v novém experimentu používá osm možných cest a ne dva různé směry polarizace, dělá velký rozdíl. Prostor možných kvantových stavů se stává mnohem větším. Foton už nelze opsat bodem ve dvou dimenzích, matematicky teď existuje v osmi dimenzích. Má to několik výhod.

Zaprvé umožňuje to rychlejší generování tajné informace – až 8307 bitů za sekundu a více než 2,5 bitu na pár fotonů. Těmito hodnotami byl stanovený nový rekord v rychlosti generování klíčů kvantové kryptografie založené na kvantovém propletení.

Zadruhé je možné ukázat, že díky použití osmi cest je tento proces méně náchylný vůči šumu. Ochrana proti šumu je zásadní vlastností nového protokolu, protože žádný kvantový systém před ním nemůže být dokonale chráněný. Šum způsobuje, že fotony velmi lehce ztrácejí své kvantové propletení, což má za následek drastické snížení rychlosti generování klíčů. Vysoko-dimenzionální kvantové stavy však při kontaktu s okolním šumem ztrácejí svá kvantová propletení mnohem pomaleji než dvoj-dimenzionální stavy.

Při pokusech v laboratoři bylo použito kontrolovatelné externí světlo, pomocí kterého se simuloval vnější šum. Navzdory vysoké intenzitě tohoto externího zdroje šumu protokol stále fungoval. Ale pouze tehdy, když bylo použito osm různých cest. Výzkumný tým to porovnal s jednoduchým dvojrozměrným kódováním, které se v tomto případě při stejné intenzitě simulovaného šumu už na generování kryptografického klíče použít nedalo.