КВАНТОВО-ХІМІЧНІ ОСНОВИ ФУНКЦІОНАЛЬНОСТІ LINBO₃ У ФОТОННИХ КРИПТОСИСТЕМАХ ЯК ЗАСІБ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ КІБЕРБЕЗПЕКИ

Анотація

Літій-ніобат (LiNbO₃) є одним із найперспективніших матеріалів для квантової криптографії завдяки поєднанню сегнетоелектричних і нелінійно-оптичних властивостей, що робить його ключовим елементом сучасної квантової фотоніки. У цій роботі представлено результати квантово-хімічного моделювання кластера LiNbO₃ з аналізом електронної структури, ефективних зарядів, порядків зв’язків і валентностей. Аналіз зарядів на атомних орбіталях та електронної густини показали змішаний іонно-ковалентний характер взаємодій Nb–O (заряди: Nb ≈ +1.8e, O ≈ –0.7…–0.9e), іонність Li–O (≈0.36 порядку зв’язку) та значну асиметрію електронної густини, що зумовлює сегнетоелектричну поляризацію. Обчислені енергії HOMO (–3.99 eV) та LUMO (+0.54 eV) визначили розрив ~3.53 eV, що узгоджується з експериментальними оптичними даними й пояснює високу прозорість матеріалу у видимому та ближньому ІЧ-діапазонах. Аналіз порядків зв’язків підтвердив домінування Nb–O взаємодій (1.3–1.8), які формують основу нелінійної поляризовності та забезпечують значення нелінійного оптичного коефіцієнта другої гармоніки χ², який описує здатність матеріалу до нелінійної поляризації. Цей коефіцієнт визначає ефективність матеріалу у процесах подвоєння частоти світла, спонтанної параметричної даун-конверсії та у фазових модуляторах для квантової криптографії, підкреслюючи тісний зв’язок між електронною структурою та практичними фотонними застосуваннями. Отримані результати свідчать, що LiNbO₃ є ефективною платформою для генерації пар ентангльованих фотонів методом спонтанного параметричного даунконверсії, для фазових модуляторів у протоколах BB84 та BBM92, а також для інтегральних квантових схем. Поєднання квантово-хімічного опису та фотонних властивостей демонструє перспективність LiNbO₃ як базового матеріалу для розвитку технологій безпечного квантового зв’язку. Окрім квантових комунікацій, властивості LiNbO₃ мають прикладне значення і для криміналістики. Разом з цим дані властивості вплинуть на розвиток кібербезпеки, захист інформації та боротьбу із кіберзлочинністю, а також на виявлення прихованих слідів вчинення злочинів. Завдяки прозорості у широкому спектральному діапазоні та високій нелінійній оптичній активності, цей матеріал використовується у приладах лазерної спектроскопії для виявлення мікрослідів біологічного походження (крові, слини, потожирових виділень) навіть у випадках, коли вони невидимі для ока. LiNbO₃-генератори ультрафіолетового випромінювання застосовуються для аналізу документів і виявлення підробок шляхом дослідження люмінесценції чорнил та паперу. Крім того, фотонні модулі на основі цього матеріалу можуть слугувати у системах квантової автентифікації носіїв інформації, що відкриває новий рівень захисту доказів від фальсифікації. Таким чином, LiNbO₃ поєднує наукові досягнення квантової фотоніки з практичними завданнями судової криміналістики.