Одним из самых перспективных ответов на этот вызов считается квантовая криптография — она опирается не на сложность вычислений, а на фундаментальные законы физики. Однако между лабораторными экспериментами и реальными сетями квантовой связи по-прежнему лежит огромный технологический разрыв. Поэтому на сегодняшний день одной из ключевых задач является разработка компактных, стабильных и надежных устройств, способных «читать» хрупкие квантовые состояния света.
Ученые из Университета Падуи, Миланского политехнического университета и Института фотоники и нанотехнологий CNR предложили неожиданно простое решение этой проблемы: стекло. В своей работе команда наглядно показала, что высокоэффективный квантовый когерентный приемник можно изготовить прямо внутри боросиликатного стекла с помощью фемтосекундной лазерной записи. Такой подход обеспечивает минимальные оптические потери, высокую стабильность и хорошую совместимость с существующей волоконно-оптической инфраструктурой.
В системах квантовой связи с непрерывными переменными — например, в квантовом распределении ключей (QKD) и квантовых генераторах случайных чисел (QRNG) — важно точно измерять амплитуду и фазу световой волны. Для этого слабый квантовый сигнал интерферирует с более мощным опорным лучом. Ранее подобные приемники чаще всего создавали на кремнии, но у этой платформы есть серьезные ограничения: чувствительность к поляризации и сравнительно высокие потери, которые снижают стабильность и надежность передачи данных.
Стекло лишено этих недостатков. Оно практически не реагирует на поляризацию, очень стабильно и позволяет формировать трехмерные волноводы с минимальными потерями. С помощью лазерной микромеханической обработки ученые буквально «рисуют» внутри стекла оптические каналы, создавая сложные фотонные схемы без дорогостоящих полупроводниковых производств.
На одном таком чипе команда реализовала полностью настраиваемый гетеродинный приемник. Устройство показало потери всего около 1 дБ, независимость от поляризации и высокое подавление классических шумов, а также стабильную работу в течение как минимум восьми часов. Благодаря этим характеристикам один и тот же чип удалось использовать сразу для двух квантовых технологий. В режиме генератора случайных чисел он обеспечил защищенную скорость 42,7 Гбит/с — это рекорд для модели, где источник сигнала считается недоверенным. В режиме квантового распределения ключей система достигла скорости 3,2 Мбит/с на эквиваленте волоконной линии длиной 9,3 км.
Авторы подчеркивают, что сочетание надежности, низких потерь и простоты производства делает стеклянную интегральную фотонику перспективным кандидатом для квантовых сетей, которые будут внедрены в нашу повседневную жизнь — от наземных линий связи до будущих космических миссий. Простая разработка позволяет квантовой криптографии выйти за пределы лабораторий и стать частью реальной инфраструктуры.
Ранее ученые создали платформу для сверхбыстрой связи.