Учёные Пенсильванского университета разработали компактный микролазер для передачи квантовой информации с повышенной безопасностью. Новое устройство использует высокоразмерные квантовые состояния (кудиты) вместо традиционных двумерных кубитов, что значительно расширяет возможности квантовой связи.

Исследование возглавил профессор Лян Фэн совместно с коллегой Ли Ге из Городского университета Нью-Йорка. Их инновация позволяет квантовым сообщениям нести больше информации и быть менее подверженными помехам, закладывая основу для будущих защищённых высокоразмерных квантовых сетей.

«По сути, мы уменьшили гигантскую оптическую установку, которую исследователи обычно используют для создания квантовых сигналов, до небольшого лазерного чипа. В данном случае соответствующее энергопотребление довольно низкое по сравнению с тем, но при этом сигнал гораздо более устойчив», – поясняет Фэн.

Благодаря компактности устройство может быть портативным. Это означает, что пользователь, например, банкир с Уолл-стрит, получающий зашифрованные токены, может ходить с ним, не опасаясь, что шум оживлённых улиц помешает отправке и приёму сигналов.

Устройство квантового распределения ключей (QKD) генерирует спин-орбитальные фотонные кудиты, особый способ кодирования информации в свете путём манипулирования как его формой (орбитальным угловым моментом), так и способом его «закручивания» при прохождении через пространство (поляризацией). Другими словами, вместо кодирования квантовой информации только в одном свойстве фотона, система может выполнять несколько задач, позволяя более сложное, высокоразмерное кодирование.

Ключевым фактором прорыва стало использование неэрмитовой физики, которая определяет, как энергия и информация могут протекать через систему. В отличие от традиционных эрмитовых систем, где энергия и информация ведут себя определённо и жёстко, неэрмитовые системы вводят новые степени контроля, позволяя динамически и удобно настраивать обмен энергией.

Эксперименты команды показали, что их система может надёжно передавать квантовые ключи, сохраняя целостность сигнала на расстояниях, эквивалентных более 100 километрам при атмосферной передаче. «И наши расчёты показывают, что при дальнейшей оптимизации система может преодолеть барьер в 500 километров, делая реальностью квантовую связь между наземными объектами и спутниками», – добавляет Чжан.

В дальнейшем команда планирует увеличить размерность системы, чтобы кодировать больше квантовой информации и сделать её передачу более надёжной и устойчивой. Кроме того, исследователи намерены протестировать устройство в практических условиях, например, в волоконно-оптической сети, и изучить возможности его применения в различных сценариях, в том числе в качестве важных узлов квантовой сети.