Ученые создали генератор квантовых импульсов из кристалла алмаза

МОСКВА, 19 янв — РИА Новости. Австралийские физики создали устройство генерации гарантированных случайных ключей, необходимое для реализации полностью защищенной квантовой связи. Основу устройства составляет алмазный лазер, вырабатывающий закодированные световые импульсы, поведение которых невозможно предсказать. Результаты исследования опубликованы в журнале Optics Express.

Для защиты связи и кодирования информации в критически важных отраслях, таких как банковское дело, финансы или оборона, криптографы и эксперты по цифровой безопасности используют генераторы случайных чисел.

Но проблема заключается в том, что большинство событий, которые принято считать случайными, например, подбрасывание монеты или вращение колеса рулетки, только кажутся случайными до тех пор, пока не хватает информации для предсказания результата. С другой стороны, законы физики гарантируют, что квантовые процессы — действительно случайны. Информация в них возникает только в момент самого события.

Используя идею подлинной случайности, заложенную в основе квантовой физики, австралийские ученые из Исследовательского центра фотоники Университета Маккуори разработали алмазную лазерную систему, в которой каждый генерируемый импульс лазерного света имеет свое направление поляризации, определяемое квантовым движением атомов углерода в решетке алмаза.

Случайные поляризации часто используют для распространения закодированных паролей и ключей, но обычно их получают в два этапа: сама случайность берется из внешнего источника, например, времени события радиоактивного распада, и затем отражается на поляризации лазера.

Новое устройство исключает необходимость двух этапов, так как случайность генерируется самим лазером. Это упрощает инфраструктуру связи и повышает ее безопасность.

В своем исследовании авторы показывают, что алмаз, когда он настроен как лазер, способен генерировать случайное состояние поляризации непосредственно из так называемого квантового движения "нулевой точки" атомов углерода в решетке алмаза. Это движение возникает из-за квантовых колебаний атомной решетки, которые по своей природе случайны и поэтому их невозможно предсказать.

Алмаз был выбран учеными по нескольким причинам. Во-первых, кристаллическая решетка алмаза имеет особую симметрию. Атомы углерода расположены в ней так, что каждый новый лазерный импульс встречает новую последовательность атомов. Эта нестабильная последовательность, которую физики называют нулевой точкой, рождает случайную поляризацию.

Во-вторых, атомы углерода чрезвычайно тесно связаны между собой, что позволяет квантовому движению нулевой точки преобладать при комнатных температурах. Это огромное преимущество, позволяющее реализовать разработанную технологию в реальных условиях. Чтобы добиться подобного эффекта, другие материалы необходимо охлаждать до криогенных температур.

"Это совершенно новый инструмент для создания квантовой случайности, — приводятся в пресс-релизе Университета Маккуори слова ведущего исследователя проекта доктора Дугласа Литтла (Douglas Little). — Мы надеемся, что этот тип устройства предоставит конечным пользователям в таких областях, как шифрование и квантовое моделирование, новую возможность для упрощения и улучшения технологий".

Авторы отмечают, что степень случайности в созданном ими лазере может быть изменена путем настройки ориентации алмаза. В будущем это позволит изучить переход от квантовой случайности к классическому детерминизму.