Команда физиков из университетов Великобритании, Японии и Германии разработала новый метод для генерации квантово-запутанных фотонов в ранее недоступном спектральном диапазоне. Это открытие может сделать шифрование спутниковой связи в будущем гораздо более безопасным.

Свою статью авторы опубликовали в журнале Science Advances.

На практике запутанные фотоны используются в таких методах шифрования, как квантовое распределение ключей, чтобы полностью обезопасить коммуникации между двумя сторонами от попыток подслушивания. Технически возможно создать механизмы шифрования с запутанными фотонами в ближнем инфракрасном диапазоне от 700 до 1550 нанометров. Однако использование столь коротких длин волн имеет свои недостатки, особенно в спутниковой связи. Из-за поглощения газами в атмосфере, а также благодаря фоновому излучению Солнца передача информации с помощью них зачастую оказывается нарушена. При существующей технологии сквозное шифрование передаваемых данных может быть гарантировано только в ночное время и желательно безоблачную погоду.

Авторы новой технологии придумали, как решить эту проблему. Они выяснили, что сигнал запутанных фотонов с длиной волны около двух микрометров значительно менее сильно зависит от фонового излучения, создаваемого Солнцем.

Кроме того, по словам исследователей, в атмосфере Земли есть так называемые окна прозрачности, которые пропускают свет в определенном диапазоне длин волн, не поглощая его. В этот диапазон как раз попадают и излучение с длиной в два и более микрометров.

В своей работе исследователи использовали нелинейный кристалл ниобата лития. Они посылали сверхкороткие световые импульсы от сверхкороткоимпульсного волоконного лазера на основе иттербия в кристалл, и в результате нелинейного взаимодействия получались запутанные пары фотонов с новой длиной волны в 2,1 мкм. Длина кристалла составила всего один миллиметр — это оптимальное значение было вычислено, исходя из расчетной эффективности преобразования энергии и минимального времени между приходом лазерного импульса и генерацией ответного излучения. По словам ученых, это излучение идеально попадает в окно прозрачности среднего инфракрасного диапазона, которое располагается между 2 и 2,5 микрометра.

Следующим шагом, согласно авторам работы, будет миниатюризация этой системы с помощью преобразования ее в фотонные интегрированные устройства. Такая модификация сделает ее пригодной для массового производства и использования в других приложениях.