Китайські вчені передали секретний квантовий ключ на відстань у 511 кілометрів, причому не у лабораторних умовах, а між реальними містами. Ключ із Циндао дійшов до отримувача у Цзинані оптоволоконним кабелем за допомогою посередника. Він звіряв відповідність відправленного між ними, хоч і не мав можливості отримати безпосередньо дані. Деталі експерименту доступні у статті, опублікованій у Nature Photonics.
Getty Images / iStockphoto
Що передають Боб та Аліса?
Явище квантової заплутаності дає нам змогу визначати стан одного з фотонів незалежно від відстані, що розділяє їх. Воно і є основою квантового шифрування, яке використовує заплутані частинки для створення ключів безпеки і забезпечення секретності повідомлень. Зазвичай такими повідомленнями у фізиків обмінюються Аліса та Боб (уявні агенти, точка А та Б), які впевнені у недоторканості їхнього листування завдяки «забороні клонування». Це один із принципів у квантовій теорії, який не дасть змогу комусь скопіювати стан переданої заплутаної частинки так, щоб Аліса чи Боб про це не дізналися.
Так секретний ключ існує лише між двома авторизованими користувачами, а будь-яке вторгнення із наміром вкрасти його розглядається як той самий клон, який призведе до помилки, що виявиться під час обробки повідомлення Бобом та Алісою. Але цей же принцип і не дозволив нам досі використовувати квантову криптографію - щоб передати сигнал оптоволокном далеко, його необхідно посилювати. А ретранслятори, здатні робити це, виглядають для системи як той самий крадій ключа, а тому з'являється помилка і повідомлення втрачається.
Чому досі вони не могли листуватися з різних міст?
Світом побудовано досить багато міських оптоволоконних мереж, які вже зараз можна було б використовувати для квантового зв'язку. Проте, оптичні втрати у телекомунікаційних волокнах (зазвичай близько 0,2 децибел на кілометр) є межею відстані для безпечного розповсюдження квантового ключа, а оптичні підсилювачі сприймаються системою як крадії даних. Причому навіть якщо відправляти сигнали з гігагерцовою частотою повторення, відправлення одиночного фотона на відстань тисячі кілометрів займе близько ста років. Щоб подолати ці обмеження, необхідно включити проміжні вузли в канал зв'язку та не потрапити під дію принципу заборони клонування.
Для цього фізики звернулися до Чарлі - проміжний вузол, точка C. Так на відміну від стандартного протоколу, наприклад, BB84, в якому Аліса відправляє фотони Бобу напряму, сигнал потрапляє у руки Чарлі. Він не вміє читати інформацію, але може перевищити межу швидкості генерації ключів без повторювачів. Цей протокол називається протоколом полів-близнюків (Twin Field, TF) і з ним лабораторії нарешті змогли конкурувати за рекорди у відстані, на які можна передати заплутаний фотон. Так принаймні у лабораторних умовах можна досягти відстані передавання у 500 кілометрів. Але у польових це все ще максимум 90, адже в лабораторії можна регулювати температуру, змусити всіх замовкнути, щоб не порушувати зв'язок вібраціями від голосу або ходьби. Таким чином, основним завданням великомасштабних волоконно-оптичних мереж квантового зв'язку є подолання обмежень без повторювачів і заборони на людську діяльність поруч.
Як відбулося листування?
Алісу та Боба у двох китайських містах провінції Шаньдун на відстань 511 кілометрів розділяв 12-волоконний кабель (вченим знадобилися лише три волокна - інші лишилися місту для класичного зв'язку). Для передачі квантового ключа Аліса і Боб використовували фазове кодування - послані ними імпульси мали зміщення фази, а після класичним каналом вони оголошували, в яких базисах був переданий сигнал, щоб відновити квантовий ключ. Імпульси спочатку набували випадкової фази, а потім зсувалися на значення з якогось базису - так фізики перевірили свій протокол на стійкість до зовнішніх атак. Так Аліса і Боб передають по слабкому когерентному імпульсу Чарлі, який порівнює їх і оголошує, чи збіглися отримані ним біти. Важливо відзначити, що Чарлі є лише вузлом-посередником, а тому не знає, що було відправлено, а знає тільки, чи збігаються два сигнали. Величина швидкості генерації ключа в роботі склала 3,45 біт в секунду, що приблизно на три порядки вище, ніж очікувалося.