Лазерный мир

Физики из США и Швейцарии поставили новый рекорд дальности для квантового распределения ключей шифрования с помощью оптоволоконного кабеля. Для этого ученые генерировали фотоны с частотой около 2,5 гигагерц, передавали их по кабелю с низкими потерями и регистрировали с помощью однофотонного детектора, состоящего из сверхпроводящих нанопроволок. При длине кабеля около 421 километра скорость передачи данных составила чуть меньше 0,5 килобита в секунду. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложенна сайте arXiv.org.

Обычные линии связи легко подслушать — достаточно подключиться к линии и считать сигнал. Конечно, чтобы расшифровать подслушанные данные, нужно знать ключ шифрования, однако обычно он передается по тем же линиям, и его можно перехватить. Тем не менее, от таких атак можно защититься с помощью квантового распределения ключей («квантовой связи»). В этом методе передающие стороны — Алиса и Боб — обмениваются поляризованными фотонами, в квантовых состояниях которых записан ключ шифрования.

Если злоумышленник Ева попробует перехватить эти фотоны и прочитать сообщение, он разрушит квантовые состояния частиц, и Алиса с Бобом узнают, что их подслушивают. Подробнее про принципы квантовой связи можно прочитать в материале «Квантовая азбука: „Телепортация“». На практике квантовую связь впервые реализовали в 1992 году — используя оптоволоконный кабель длиной около 32 сантиметров, группа ученых под руководством Джона Смолина (John Smolin) заставила две системы обменяться несколькими битами информации. С тех пор физики стремятся как можно больше увеличить это расстояние. Основное препятствие, которое мешает квантовой передаче ключей по оптоволоконному кабелю, — это большие потери, из-за которых сигнал быстро затухает с расстоянием. Проще говоря, фотоны поглощаются в стекле и теряют энергию, а квантовых повторителей, которые могли бы компенсировать эти потери, пока еще нет. В стандартном оптоволоконном кабеле 9 из 10 фотонов поглощаются через каждые 50 километров пути. Другими словами, если запустить в кабель миллиард фотонов, через 150 километров от него останется всего миллион, а через 450 километров — всего один фотон. Поэтому для квантовой связи очень важно снизить потери при передаче и разработать детекторы с очень низким уровнем шума, которые могут различить даже очень слабый сигнал. С другой стороны, можно увеличить скорость генерации квантовых состояний и время, в течение которого детектор «накапливает» данные — в этом случае дальность передачи вырастает за счет большого числа фотонов.

Группа ученых под руководством Альберто Боарона (Alberto Boaron) улучшила все эти показатели и довела дальность квантовой связи до 424 километров, сохраняя высокую скорость передачи данных. С одной стороны, физики генерировали фотоны с помощью диодного лазера со случайной фазой, который работал на частоте около 2,5 гигагерц. Длина волны фотонов, излучаемых лазером, составляла 1550 нанометров (инфракрасный свет). С другой стороны, для регистрации фотонов исследователи использовали сверхпроводящие однофотонные детекторы, которые состояли из нанопроволок, охлажденных до температуры 0,8 кельвина (superconducting nanowire single-photon detectors, SNSPDs). Когда фотон попадает на такую нанопроволоку, он разрушает куперовскую пару и выводит проволоку из сверхпроводящего состояния. Из-за малого диаметра проволочки ее сопротивление резко возрастает, и в системе возникает скачок напряжения; после этого проволочка автоматически охлаждается до прежней температуры, и ее сверхпроводимость восстанавливается. Кроме того, прежде чем направить фотоны на детектор, физики отсеивали тепловое излучение с помощью оптоволоконного фильтра (fiber filter). В результате ученым удалось уменьшить частоту «темных отсчетов» до 0,1 герца (напомним, что частота генерации составляла 2,5 гигагерца, то есть примерно в 1011 раз больше). «Темные отсчеты» — это события, при которых детектор не видит фотон, который на него попадает. Для передачи данных исследователи использовали квантовый канал, состоящий из оптоволоконного кабеля с очень низкими потерями (около 0,16 децибел на километр).

Схема экспериментальной установки
A. Boaron et al. / Physical Review Letters

В результате ученые значительно увеличили скорость передачи данных — на расстояниях от 250 до 400 километров пропускная способность их сети более чем в сто раз превысила показатели предыдущих экспериментов. В частности, при длине кабеля около 250 километров скорость передачи достигала 4,9 килобит в секунду (при размере блока около одного мегабайта). При рекордной длине кабеля около 421 километра скорость передачи составила 0,49 бит в секунду (при размере блока 24 килобайта), а на полную передачу блока ушло чуть больше суток. Таким образом, авторы проверили, что их система остается стабильной в течение долгого времени (не менее 24 часов). Кроме того, физики показали, что она защищена от перехвата информации.

Сравнение результатов нового (кружки) и более ранних (квадраты) экспериментов: по оси x отложена длина кабеля, по оси y — скорость передачи данных, которой удалось добиться
A. Boaron et al. / Physical Review Letters

Предыдущий рекорд дальности квантовой связи по оптоволоконному кабелю был поставлен два года назад (в ноябре 2016) — тогда группе ученых под руководством Цзянь-Вэй Паня (Jian-Wei Pan) удалось передать квантовые ключи на расстояние около 404 километров. Для этого физики полагались на квантовое распределение ключей, не зависящее от измерительного прибора (measurement-device-independent QKD, сокращенно MDI-QKD). В этом методе к Алисе и Бобу добавляется третья сторона (Чарли), которая расположена посередине коммуникационной линии, измеряет состояния фотонов Алисы и Боба и открыто публикует данные этих измерений. Используя эти данные, Алиса и Боб безопасно расшифровывают передаваемую информацию — даже в том случае, если Чарли будет скомпрометирован, он не сможет раскрыть ключ шифрования. Предполагается, что метод MDI-QKD более безопасный, чем метод обычного QKD — в частности, он лучше защищает от атак на пассивные элементы сети, такие как оптические кабели или детектор Боба. С другой стороны, скорость передачи ключей с помощью метода MDI-QKD во много раз меньше, чем с помощью классического QKD. Например, группе Паня удалось передать ключи на расстояние около 404 километров со скоростью не более 3×10−4 бит в секунду, тогда как группа Боарона на таком же расстоянии получила скорость более 6,5 бит в секунду (в десять тысяч раз больше).

Кроме того, в мае этого года группа ученых из исследовательского центра Toshiba в Кембриджском университете теоретически показала, что с помощью «двупольного» квантового распределения ключей (twin field quantum key distribution, TF-QKD) дальность квантовой связи по коммерческому волокну можно довести до 550 километров. Для этого физики теоретически смоделировали линию связи, а затем экспериментально проверили «видность» сигнала и его фазовый сдвиг (phase drift). Тем не менее, собственно ключи исследователи на практике не передавали. Подробнее про эту работу можно прочитать в статье «Квантовая связь без лишнего шума». Также стоит заметить, что фотоны можно передавать не только по оптоволокну, но и по воздуху — в этом случае потери энергии гораздо меньше, и частицы можно передать на гораздо большее расстояние. Поэтому в настоящее время рекорд дальности квантовой связи принадлежит китайским ученым, которые с помощью спутника «Мо-Цзы» передалифотоны на расстояние более 7400 километров и организовали сеанс защищенной видеосвязи между Пекином и Веной.

Несмотря на технологические трудности, в настоящее время квантовая связь уже используется на практике. В частности, квантовая связь проверялась банками и правительствами, а также использовалась для передачи данных между стадионом Мозеса Мабида и операционным центром в ходе Чемпионата мира по футболу 2010. В России первая коммерческая линия квантовой связи открылась в июне 2016 года и соединила два отделения «Газпромбанка». Длина этой линии составляла около 30 километров, а скорость передачи данных по линии достигала двух килобит в секунду. Подробнее про работу линии можно прочитать в материале «Выдергиваете и сжигаете».

Дмитрий Трунин

Источник: https://nplus1.ru/news/2018/11/07/QKD-fiber