В свежем исследовании, опубликованном в издании National Science Review, ученые из Национального университета Сингапура, Наньянского технологического университета и их коллеги провели успешный эксперимент по квантовому распределению ключей (QKD) с использованием однофотонного источника, работающего при комнатной температуре и излучающего прямо в телеком-диапазоне (O-band).

Одиночные фотоны — основа квантовой связи, но большинство источников требуют охлаждения до сверхнизких температур или преобразования частоты, чтобы попасть в нужный диапазон. Здесь же команда применила источник на основе дефектов в нитриде галлия (GaN), который излучает на длине волны 1309,5 нм — идеально для стандартных оптоволоконных сетей — и стабильно работает без дополнительного охлаждения.

Эксперимент строился на протоколе BB84 с кодированием поляризационных состояний. В развернутой 3,5-километровой петле из оптоволокна удалось добиться уровня ошибок (QBER) в 5% и скорости генерации ключа 585,9 бит/с.

Главной технической проблемой стала поляризационная модовая дисперсия (PMD) — искажение сигнала в волокне.

Поляризационная модовая дисперсия (PMD) — это эффект, когда свет в оптоволокне распадается на составляющие с разной поляризацией и движется с разной скоростью, вызывая искажения. Представьте, что вы отправили два одинаковых письма разными почтальонами — один принесет его сразу, а второй задержится. В квантовой связи это приводит к ошибкам в расшифровке ключа.

Ученые проанализировали PMD, подобрали оптимальные базисные состояния и снизили ее влияние, обеспечив стабильность системы. Чтобы проверить пределы технологии, они повторили опыт на 32,5 км кабеля с затуханием 11,2 дБ — уровень ошибок упал до 3,2%, а скорость ключа составила 50,4 бит/с.

Почему это важно

• Ранние системы QKD с комнатными источниками либо работали хуже, либо требовали сложной доработки.
• GaN-источник сразу совместим с существующей инфраструктурой — никаких криогенных установок или частотных конвертеров.

Результаты показывают: такие источники могут стать практичным элементом квантовых сетей.

Для кого это актуально

• Телеком-компании — можно внедрять QKD без перекладки волокна или дорогих охлаждающих систем.
• Госструктуры и банки — повышение безопасности передачи данных без гигантских затрат.
• Наука — упрощение экспериментов по квантовой связи: не нужны громоздкие криостаты.

Где пригодится

В городских сетях (короткие дистанции), защищенных каналах для критической инфраструктуры, гибридных системах «квант + классика».

Слабые места

• Скорости ключей все еще низкие для массового применения (например, VPN требует тысяч бит/с).
• Не проверено, как источник ведет себя при длительной работе (месяцы/годы) — возможна деградация GaN.
• Нет данных о стоимости производства таких источников — если они дороже InGaAs/кремниевых фотонных чипов, внедрение замедлится.

Ранее ученые разработали новое сверхнадежное оптоволокно.