Polacy odkryli nową metodę szyfrowania danych. Wykorzystali 200-letnie zjawisko optyczne

Naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego opracowali nowy, uproszczony i niezwykle wydajny system dystrybucji klucza kwantowego (QKD). Wykorzystuje on czasowy efekt Talbota oraz kodowanie wielowymiarowe, łącząc klasyczne zjawiska optyczne z najnowszą technologią kwantową. Osiągnięcie badaczy z Wydziału Fizyki UW może otworzyć nową erę bezpiecznej komunikacji cyfrowej.

Kwantowa dystrybucja klucza – bezpieczne dane oparte na prawach fizyki

W dobie rosnących cyberzagrożeń poszukiwanie niezawodnych metod ochrony danych ma kluczowe znaczenie. Jednym z najbardziej obiecujących kierunków jest kwantowa dystrybucja klucza (QKD) – technologia pozwalająca tworzyć szyfry oparte nie na algorytmach, lecz na prawach fizyki kwantowej.

Zespół z Uniwersytetu Warszawskiego nie tylko rozwija istniejące rozwiązania, ale także pokazuje, że systemy QKD można uprościć i udoskonalić dzięki wykorzystaniu XIX-wiecznego zjawiska optycznego.

– W naszych badaniach zajmujemy się kwantową dystrybucją klucza – technologią, która wykorzystuje pojedyncze fotony do ustanawiania bezpiecznego klucza kryptograficznego między dwiema osobami – tłumaczy dr Michał Karpiński, kierownik Laboratorium Fotoniki Kwantowej FUW.

Od kubitów do kodowania wielowymiarowego

Dotychczasowe systemy QKD bazowały głównie na kubitach, czyli jednostkach informacji kwantowej przyjmujących dwie wartości. Naukowcy z Warszawy poszli o krok dalej, stosując kodowanie wielowymiarowe – dzięki czemu z jednego fotonu można uzyskać nie dwa, lecz cztery lub więcej stanów kwantowych. To znacząco zwiększa przepustowość i efektywność całego systemu.

Kluczową rolę w tym rozwiązaniu odegrał czasowy efekt Talbota – zjawisko odkryte w 1836 roku, polegające na periodycznym powtarzaniu się wzoru dyfrakcyjnego światła. Badacze z FUW jako pierwsi pokazali, że podobne zjawisko można wykorzystać w domenie czasu, tworząc nowy sposób kodowania i analizy informacji kwantowej.

Prostsza konstrukcja, mniejsze koszty, większa stabilność

Jednym z największych atutów opracowanego przez Polaków systemu jest jego prostota. Zamiast rozbudowanych układów interferometrycznych wykorzystano tylko jeden detektor fotonów, co znacząco obniża złożoność i koszt instalacji.

– Dzięki temu nasza metoda nie wymaga czasochłonnej kalibracji odbiornika i pozwala na wykrywanie superpozycji różnej wymiarowości bez przebudowy sprzętu – wyjaśnia doktorant Adam Widomski.

Choć metoda wiąże się z niewielkimi błędami pomiarowymi, nie przekreśla to jej praktycznego zastosowania. Dzięki współpracy z europejskimi ekspertami opracowano protokoły bezpieczeństwa, które skutecznie kompensują te ograniczenia.

Testy w sieci światłowodowej UW

Nowy system QKD został z powodzeniem przetestowany nie tylko w laboratorium, lecz także w miejskiej sieci światłowodowej Uniwersytetu Warszawskiego na dystansie kilkunastu kilometrów. Wyniki opublikowano w renomowanych czasopismach: Optica Quantum, Optica oraz Physical Review Applied.

Badania wykazały, że wykorzystanie kodowania wielowymiarowego znacznie zwiększa wydajność przesyłu danych i może znaleźć zastosowanie w przyszłych sieciach komunikacji kwantowej.

Polska nauka w światowej czołówce

Kwantowa komunikacja to obecnie jedna z technologii o strategicznym znaczeniu dla bezpieczeństwa cyfrowego państw, firm i instytucji finansowych. Opracowany w Warszawie system wpisuje się w globalny wyścig badawczy, w którym uczestniczą czołowe ośrodki z Europy, USA i Chin.

Projekt realizowany był w ramach programu QuantERA, koordynowanego przez Narodowe Centrum Nauki, z wykorzystaniem infrastruktury Narodowego Laboratorium Fotoniki i Technologii Kwantowych.

Osiągnięcie fizyków z Uniwersytetu Warszawskiego pokazuje, że Polska ma realny wkład w budowę przyszłego, bezpiecznego internetu kwantowego.