Світ стрімко наближається до епохи квантових комп’ютерів, і разом із цим зростає ризик для сучасних методів захисту даних. Алгоритми, які сьогодні вважаються надійними, у майбутньому можуть стати вразливими. Саме тому вчені активно шукають нові підходи до безпеки, і одним із найперспективніших напрямів вважається квантова криптографія — технологія, що базується не на складності обчислень, а на фундаментальних законах фізики.
Втім, щоб такі системи стали частиною реального життя, потрібні компактні та точні пристрої, здатні працювати з надзвичайно слабкими квантовими сигналами світла. Саме тут на сцену виходить несподіваний матеріал — звичайне скло.
Група дослідників із Університету Падуї, Політехнічного університету Мілана та Інституту фотоніки і нанотехнологій CNR продемонструвала новий підхід до створення квантових приймачів. Вони змогли «вбудувати» складну оптичну систему прямо всередині боросилікатного скла, використовуючи фемтосекундний лазер. Результати цієї роботи опубліковані в журналі Advanced Photonics.
На перший погляд, скло здається занадто простим матеріалом для високотехнологічних рішень. Проте воно має важливі переваги. На відміну від кремнію, який традиційно використовується в мікроелектроніці, скло менш чутливе до поляризації світла, стабільніше в роботі та забезпечує менші втрати сигналу. До того ж у ньому можна створювати тривимірні оптичні канали, якими поширюється світло, фактично формуючи складні фотонні схеми всередині одного шматка матеріалу.
У створеному пристрої дослідники реалізували так званий когерентний приймач — ключовий елемент для квантових комунікацій. Його завдання — точно зчитувати інформацію, закодовану у світлових хвилях, аналізуючи їхню амплітуду та фазу. Для цього слабкий квантовий сигнал поєднується з сильнішим опорним променем, після чого система вимірює їхню взаємодію.
Новий чип включає одразу кілька складних компонентів: подільники світла, фазові регулятори з електричним керуванням, перехрестя хвилеводів та елементи, нечутливі до поляризації. Усе це дозволяє точно контролювати поведінку світла всередині пристрою.
Результати вражають. Пристрій демонструє дуже низькі втрати сигналу, високу стабільність і здатність ефективно пригнічувати шуми. Він також може працювати безперервно протягом багатьох годин без помітного погіршення характеристик. За багатьма показниками така система не лише не поступається кремнієвим аналогам, а й перевершує їх.
Особливо цікаво те, що один і той самий чип можна використовувати для різних завдань. Наприклад, він здатний генерувати справді випадкові числа — ключовий ресурс для криптографії. У цьому режимі система досягла рекордної швидкості — понад 42 гігабіти на секунду. Також пристрій протестували в системі квантового розподілу ключів, де він забезпечив стабільну передачу захищеної інформації на відстані понад 9 кілометрів оптоволокна.
Окрім високої продуктивності, скляна платформа має й практичні переваги. Вона стійка до змін температури та механічних впливів, добре сумісна зі стандартними волоконно-оптичними мережами та дозволяє швидко створювати нові прототипи без дорогого виробництва мікросхем. Це відкриває шлях до масштабування технології та її впровадження за межами лабораторій.
Дослідники вважають, що такі рішення можуть стати основою для майбутніх квантових мереж — від захищених каналів зв’язку до систем, які працюватимуть навіть у космосі. Використання скла як платформи для квантової фотоніки може значно пришвидшити перехід від експериментальних установок до реальної інфраструктури.
Фактично йдеться про важливий крок до створення глобальних квантових комунікацій, де дані будуть захищені не складністю алгоритмів, а самою природою світла.