Instytut Fizyki

KontaktGrudziądzka 5, 87-100 Toruń
tel.: +48 56 611 3310
fax: +48 56 622 5397
e-mail: ifiz@fizyka.umk.pl

Fizycy zwiększają dystans

fot. Andrzej Romański

W prestiżowym czasopiśmie „Optica” ukazał się artykuł fizyków z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu poświęcony komunikacji kwantowej. Toruńscy naukowcy opisują w nim, jak można ulepszyć przesyłanie informacji zakodowanej w elementarnych cząstkach światła – fotonach.

Autorami artykułu Reducing detection noise of a photon pair in a dispersive medium by controlling its spectral entanglement jest zespół fizyków z Krajowego Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej w Instytucie Fizyki UMK: mgr Karolina Sędziak, dr Mikołaj Lasota i dr Piotr Kolenderski.

– W naszym artykule opisaliśmy, w jaki sposób można wygenerować takie fotony, które będą w stanie przenosić poufną informację o 10-12 % dalej, niż udawało się to dotychczas – wyjaśnia dr Piotr Kolenderski.

Dystans, na jaki można przesyłać informację zaszyfrowaną w fotonach, zależy od kilku czynników. Pierwszy to detektory fotonów. Naukowcy wciąż pracują nad tym, żeby je udoskonalić. Drugi to światłowody używane do transmisji, które dziś są już dopracowaną technologią. Trzecim elementem są same źródła, które służą do generowania pojedynczych fotonów. Choć wielu badaczy na całym świecie zajmuje się konstruowaniem tego typu urządzeń, opierając zasadę ich działania na różnorakich zjawiskach fizycznych, rzadko podejmują oni problem dopasowania charakterystyk generowanych fotonów tak, aby były one najlepsze do celów komunikacji kwantowej. – Nad tym prawie nikt dotąd nie pracował, niewiele można znaleźć na ten temat w literaturze – dodaje badacz. – My postanowiliśmy spróbować zrobić coś w tym zakresie. Stworzyliśmy model teoretyczny i wykonaliśmy obliczenie. Efekty pracy okazały się bardzo ciekawe, co zaowocowało publikacją w „Optice”.

Artykuł jest prezentacją pewnego pomysłu teoretycznego, który trójka toruńskich naukowców przenosi właśnie w fazę eksperymentu. Poza źródłem fotonów do jego przeprowadzenia niezbędne są nadprzewodzące detektory fotonów. Te, które używane są w KL FAMO, zostały zakupione w grudniu ubiegłego roku dzięki grantowi aparaturowemu przyznanemu przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Są bardzo wydajne (informują o nadejściu fotonu w 60% przypadkach) i bardzo szybkie (precyzyjnie wskazując moment, w którym foton się pojawia), lecz ich prawidłowe działanie wymaga zapewnienia szczególnych warunków laboratoryjnych – chłodzenia do temperatury około -269 stopni Celsjusza.

– Sercem całego pomysłu jest specjalny nieliniowy kryształ PPKTP – wyjaśnia dr Kolenderski. – Przepuszczamy przez niego czerwoną wiązkę światła lasera, a w krysztale dochodzi do rozbicia jednego fotonu na dwa. Cechuje je czysto kwantowa własność – tzw. splątanie (oznacza to, że pewne cechy cząstek są wzajemnie powiązane). Dzięki temu w parze fotonów może być zakodowana informacja. Naszym celem jest to, żeby jeden foton dotarł światłowodem do jednej osoby, a drugi do drugiej. W ten sposób możliwa staje się wymiana informacji pomiędzy nimi.

Taką metodą można nie tylko przekazywać informacje na znaczne odległości, ale również mieć pewność, że będą one całkowicie bezpieczne, niemożliwe do złamania czy skopiowania. Jak to się dzieje? Wspomniane splątanie pomaga w wydłużeniu bezpiecznego zasięgu transmisji i umożliwia generowanie klucza kryptograficznego (losowego ciągu zer i jedynek), dostępnego tylko dla dwóch stron zainteresowanych wymianą informacji. Dzięki wrażliwości pary fotonów na wszelkie ingerencje z zewnątrz, jakiekolwiek próby przekształcenia lub powielenia zakodowanej w nich informacji mogą zostać natychmiast wykryte. Jest tak dlatego, że każda próba podsłuchu zakłóca w istotny sposób stan fotonu. – Nie da się tego nie zauważyć – zapewnia dr Kolenderski.

Rozwiązania umożliwiające przesyłanie informacji kwantowej mają już zastosowanie w instytucjach rządowych czy w bankowości i mogą być interesujące wszędzie tam, gdzie stronom zależy na bezpiecznej wymianie poufnych danych. – Plotka głosi, że światłowód, którym przesyła się informację kwantową, łączy Pentagon z Białym Domem – przyznaje dr Piotr Kolenderski. – Istnieje już kilka firm, które produkują podobne układy, więc jeśli jakaś instytucja potrzebuje takich rozwiązań, może je zakupić. To, co my opisaliśmy w „Optice”, pozwala na ulepszenie istniejących rozwiązań.

Publikacja w czasopiśmie „Optica”, uważanym za jeden z najważniejszych tytułów w naukach optycznych, powstała wyłącznie siłami naukowców pracujących na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK. Fakt ten zasługuje na uwagę, gdyż większość artykułów w tym czasopiśmie jest wynikiem współpracy międzynarodowej. Ponadto – jak twierdzą autorzy – badania, które prowadzą, dają ciekawe perspektywy eksperymentalne i mogą mieć zastosowanie również w innych dziedzinach nauki. Przykładowo, źródła fotonów będzie można w przyszłości używać m. in. do badania oddziaływań światła z molekułami.

Tekst przygotowany przez Dział Promocji i Informacji UMK