Sto let starý nápad zvyšuje bezpečnost kvantové komunikace

Klasický fyzikální přístroj známý pod názvem interferometr může výrazně přispět ke zvýšení bezpečnosti kvantové komunikace. O možnostech využití sto let starého nápadu v moderních komunikačních technologiích informuje článek olomouckých optiků a jejich dánských kolegů, publikovaný minulý týden v prestižním fyzikálním časopise Physical Review Letters.

Tým vedený Ulrikem L. Andersenem z Dánské technické University a Radimem Filipem z katedry optiky olomoucké přírodovědecké fakulty se zaměřil na využití interferometru při eliminaci většího množství šumu v kvantové komunikaci. Právě v této oblasti získává metoda z konce devatenáctého století podle publikovaných výsledků novou roli a do vývoje optiky výrazně zasahuje už podruhé.

Metoda stále geniální

Více než sto let starý nápad Ludwiga Macha a Ludwiga Zehndera z let 1891 až 1892 je dnes známý jako Machův a Zehnderův interferometr. Díky němu lze dosáhnout velmi přesného měření fyzikálních veličin, jako jsou například vlnové délky, tloušťky tenkých optických vrstev nebo koncentrace plynů. 

Jeho princip je založen na interferenci světla, zahrnující jevy, které jsou důsledkem skládání světelných vln. „Jde o starý geniální nápad. Metoda je známá v klasické optice, její kvantová analogie však není přímočará,“ zdůraznil Filip. 

Na rozdíl od klasické optiky pracuje dnešní kvantová optika se šumem světla. „Ten je důležitý v kvantových komunikacích, protože každý jeho odposlech způsobuje jeho navýšení, které je měřitelné. Pokud je šumu v přenosovém kanále víc, než garantuje bezpečnost kanálu, přenášený šifrovací klíč se nesmí použít,“ objasnil Filip princip bezpečné kvantové komunikace. 

Bezpečný, tedy bez šumu 

K ohrožení bezpečného přenosu informací však může dojít za situace, kdy je množství šumu v optickém kanále příliš velké. „Více šumu v optickém kanále vylučuje bezpečnou komunikaci, protože odposlech může získat nepozorovaně všechnu přenášenou informaci,“ zdůraznil Filip. 

Právě díky kvantové verzi interferometru a současným rychlým optickým komunikacím je možné se šumu zbavit. „Pokud je komunikace dostatečně rychlá, šum ovlivňuje dva optické pulsy jdoucí těsně po sobě velmi podobně. V interferometru proto nejprve rozdělíme informaci do dvou pulsů a necháme na ně v kanále tento šum působit. Poté, kdy je složíme na druhém děliči svazku, z jeho jednoho výstupu vyjde náš počáteční signál a z druhého výstupu nechtěný šum, který pak můžeme klidně zahodit. Přenesli jsme tedy informaci vloženou do světla, jako by v kanále žádný šum nebyl,“ vysvětlil Filip. 

Úspěšná aplikace starého nápadu do vývoje současných komunikačních technologií a její publikace v prestižním vědeckém časopise těší olomoucké odborníky vědecky i lidsky. „S Ulrikem Andersenem jsem začal pracovat právě před deseti lety, je to hezká oslava naší desetileté plodné spolupráce. Dnes je do ní zapojena řada mých mladších kolegů a studentů a to mne těší ještě víc,“ dodal Filip.