Разработка базовых устройств и протоколов квантовой связи на основе спонтанного параметрического рассеяния света

Целью настоящей диссертации является создание источников однофотонных состояний электромагнитного поля на основе спонтанного параметрического рассеяния света, которые могут эффективно взаимодействовать с устройствами квантовой памяти и использоваться в протоколах квантового повторителя, а также разработка протоколов квантового хеширования на основе многомерных однофотонных состояний света, обладающих орбитальным угловым моментом. В настоящей работе реализуется источник узкополосных однофотонных состояний света на основе спонтанного параметрического рассеяния света в резонаторе. Рабочая длина волны источника 867 нм с шириной линии 19 МГц позволит генерируемым фотонам эффективно взаимодействовать с ионами Nd3+ в моноизотопных кристаллах YLiF4, а длина волны оповещающего фотона 1377 нм соответствует окну прозрачности оптического волокна. Кроме того, показано, что температурная зависимость показателя преломления нелинейной среды позволяет перестраивать источник и делать его совместимым с другими кристаллами, активированными ионами неодима. Таким образом, характеристики источника позволяют использовать его для реализации протокола квантового повторителя. Предлагается метод генерации коррелированных состояний квантовой памяти и фотона на основе совмещения в общем резонаторе устройства квантовой памяти и источника двухфотонных состояний. По сравнению с известными методами создания таких состояний на основе отдельного двухфотонного источника и квантовой памяти данная схема исключает необходимость загрузки в резонатор памяти фотона, испущенного внешним источником, и упрощает согласование рабочих частот и спектральных ширин квантовой памяти и источника пар фотонов на основе спонтанного параметрического рассеяния света. Предложенная схема легко обобщается на случай генерации перепутанных состояний устройства квантовой памяти и поля. Кроме того, развивается методика квантового хеширования информации на основе многомерных однофотонных состояний света. Квантовая функция хеширования представляется в виде последовательности многомерных однофотонных состояний света (кудитов), где информация о хешируемом состоянии кодируется в фазе каждого кудита. Продемонстрировано, что использование состояний высокой размерности позволяет ускорить работу протокола квантового хеширования за счет уменьшения числа квантовых носителей информации, необходимых для достижения оптимальных параметров хеширования. Предложен обобщенный протокол верификации квантового состояния, которое является результатом квантового хеширования. Он позволяет проверять хеш-функцию за одно измерение, что является принципиальным для реализации подходов квантовой криптографии. Протоколы квантового хеширования могут лечь в основу протоколов квантовой цифровой подписи и процессов усиления секретности распределенного ключа. Результаты работы представляются полезными для специалистов в области квантовой коммуникации и квантовых вычислений и могут быть использованы для создания дальнодействующей квантовой связи и различных квантовых коммуникационных протоколов.