Исследователи из Национального института стандартов и технологий (США) нашли практичный способ передачи данных при помощи квантовых состояний фотонов. Плотность передаваемой таким образом информации удалось существенно повысить, а её перехват теперь нельзя не заметить.

Оптоволоконные линии передают информацию при помощи импульсов света. Метод, в каком-то смысле роднящий их с телеграфом Морзе, а по сути — с описанным ещё Эсхилом способом межконтинентальной коммуникации, которым жители г. Микены были проинформированы о взятии г. Трои. Технология выглядит простой и естественной, что и послужило причиной её устойчивой популярности как минимум со времён Троянской войны. Однако она заметно снижает пропускную способность оптического канала связи за счёт необходимости перерывов в подаче сигналов. Опять же импульс означает единицу, а его отсутствие — ноль. В то же время существуют такие методы передачи информации при помощи света, которые позволяют иметь для одного носителя сразу несколько состояний, в частности состояние, являющееся суперпозицией 0 и 1.

Рис. 1. Кристалл ниобата лития (на правом фото в центре) разделяет пучок фотонов с длиной волны в 1 300 нм на два пучка с длиной волны по 710 нм. Оптоволоконный кабель присоединён к экспериментальной установке (вверху, на левом фото). (Фото Talbott, NIST).

Физическими системами, реализующими связь при помощи находящихся в различных квантовых состояниях фотонов, могут быть любые объекты, имеющие два квантовых состояния, и в частности поляризационные состояния фотонов.

Другое преимущество таких систем — принципиальная невозможность бесследного перехвата информации: любая попытка анализа квантового состояния фотонов неизбежно ведёт к изменению их состояния, поэтому если перехват всё же состоится, то в конечном пункте получение данных будет сопровождаться сильными «шумами», выдающими факт вмешательства.

Но при всех плюсах у передачи данных посредством изменения квантовых состояний фотонов есть существенный недостаток: современные оптоволоконные линии используют для этого один диапазон, а нынешние детекторы фотонов (кремниевые) — другой. ИК-диапазон линий связи не воспринимается пока кремниевыми детекторами, что делает невозможным внедрение новых видов связи без серьёзнейших изменений в матчасти.

Теоретически решить проблему можно, посылая вместе с фотонами ИК-излучения вторичный пучок фотонов. Несущие информацию фотоны из первого пучка могут получить энергию от второго (накачка) и таким образом перейти из инфракрасной части диапазона в видимую. Однако кремниевые детекторы единичных фотонов всё равно будут при этом работать медленно, что снижает потенциальную скорость передачи данных при помощи различных квантовых состояний фотонов.

Для решения этой проблемы исследователи из Национального института стандартов и технологий использовали прозрачный кристалл ниобата лития, при попадании в который пучок фотонов ИК-излучения, преломляясь, разделяется на два пучка слегка разного цвета и длины волны. При этом первый и второй пучки направляются к двум параллельным детекторам одиночных фотонов, что позволяет удвоить пропускную способность такой системы.

Теоретически, замечают физики, возможно и более глубокое разделение, с использованием системы таких кристаллов-преломителей и, например, четырёх или более детекторов фотонов.

Развёртывание подобных систем будет означать практически не ограниченную возможностями кремниевых детекторов фотонов скорость передачи данных квантовыми методами.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Optics Express.