Китайские исследователи совершили качественный скачок, создав интегрированную сеть квантовой связи

Ученые из Хэфэя создали первую в мире интегрированную сеть квантовой связи. Китайские ученые создали первую в мире интегрированную сеть квантовой связи, объединив более 700 оптических волокон на земле с двумя спутниковыми линиями для достижения распределения квантовых ключей на общем расстоянии в 4600 километров.

«Те, кого не шокирует, когда впервые сталкиваются с квантовой теорией, вероятно, не смогут ее понять», — сказал Нильс Бор. В странном мире квантовой механики законы физики в том виде, в каком мы их знаем, выброшены за борт. Другими словами, реальность не совсем такая, как мы думаем. Например, сегодня конфиденциальные данные обычно шифруются, а затем отправляются по оптоволоконным кабелям и другим каналам вместе с цифровыми «ключами», необходимыми для декодирования информации. Данные и ключи отправляются в виде классических битов — потока электрических или оптических импульсов, представляющих 1с и 0с. И это делает их уязвимыми. Умные хакеры могут считывать и копировать передаваемые биты, не оставляя следов. Даже если этот кабель находится на дне океана, к нему можно подключиться и взломать.

На протяжении всей истории битва между шифрованием и дешифрованием не заканчивается. Войдите в квантовую коммуникацию, которая использует законы квантовой физики для защиты данных. Эти законы позволяют частицам — обычно фотонам света для передачи данных по оптическим кабелям — принимать состояние суперпозиции, что означает, что они могут представлять несколько комбинаций 1 и 0 одновременно. Частицы известны как квантовые биты или кубиты.

Прелесть кубитов с точки зрения кибербезопасности заключается в том, что если хакер пытается наблюдать за ними в пути, их сверххрупкое квантовое состояние «коллапсирует» до 1 или 0. Это означает, что хакер не может вмешиваться в работу кубитов, не оставив при этом явных признаков активности. Сделав гигантский технологический шаг к этой цели, китайские ученые создали первую в мире интегрированную сеть квантовой связи, объединив более 700 оптических волокон на земле с двумя линиями связи земля-спутник для достижения распределения квантовых ключей на общем расстоянии в 4600 километров для пользователи по всей стране, сообщает Phys.Org .

Команда, возглавляемая Цзяньвэй Пэном, Юао Ченом и Чэнчжи Пэном из Китайского университета науки и технологий в Хэфэе, рассказала в Nature о своих последних достижениях в области глобального практического применения такой сети для будущих коммуникаций. В отличие от традиционного шифрования, квантовая связь считается «не поддающейся взлому» и, следовательно, является будущим для безопасной передачи информации правительств, банков, электросетей и других секторов.

В 1980-х годах исследователи разработали теоретический метод генерации безопасных ключей с использованием квантовой механики. Они выяснили, что секретные ключи могут быть закодированы в квантовые свойства отдельных частиц и тайно обмениваться как туда, так и обратно. Преимущество этого «квантового распределения ключей» (QKD) состоит в том, что квантовая физика диктует, что сам акт наблюдения за частицей непоправимо изменяет ее. Таким образом, любые шпионы, пытавшиеся перехватить квантовый ключ, могут быть немедленно обнаружены по изменениям в частицах.

До сих пор наиболее распространенная технология QKD использует оптические волокна для передачи на несколько сотен километров с высокой стабильностью, но со значительными потерями в канале. Материалы в кабелях могут поглощать фотоны, а это означает, что они обычно могут перемещаться не более, чем на несколько десятков километров. В классической сети повторители в различных точках кабеля используются для усиления сигнала и компенсации этого.

Сети QKD предложили аналогичное решение, создавая «доверенные узлы» в различных точках. Например, в сети Пекин-Шанхай их 32. На этих промежуточных станциях квантовые ключи расшифровываются в биты, а затем повторно шифруются в новом квантовом состоянии для их перехода к следующему узлу. Другая важная технология QKD использует свободное пространство между спутниками и наземными станциями для передач на тысячи километров.

В 2016-м году Китай запустил первый в мире спутник квантовой связи (QUESS или Mozi/Micius) и достиг QKD с двумя наземными станциями на расстоянии 2600 км друг от друга. В 2017-м году было завершено строительство оптоволоконной сети протяженностью более 2000 кмдля QKD между Пекином и Шанхаем. Используя надежные ретрансляторы, наземная оптоволоконная сеть и каналы спутниковой связи были интегрированы для обслуживания более 150 промышленных пользователей по всему Китаю, включая государственные и местные банки, муниципальные электросети и веб-сайты электронного правительства.

По сути, это достижение указывает на то, что технология квантовой связи может быть использована для будущих крупномасштабных практических приложений. Точно так же глобальная сеть квантовой связи может быть создана, если объединить национальные квантовые сети из разных стран и если университеты, учреждения и компании объединятся для стандартизации связанных протоколов.

За последние пару лет команда тщательно протестировала и улучшила производительность различных частей интегрированной сети. Например, с увеличенной тактовой частотой и более эффективным протоколом QKD, QKD спутник-земля теперь имеет среднюю скорость генерации ключей 47,8 килобит в секунду, что в 40 раз выше, чем предыдущая скорость.

Исследователи также увеличили рекорд наземного QKD на расстояние более 500 км, используя новую технологию, называемую двойным полем QKD (TF-QKD). TF-QKD — это новый необычный протокол QKD, который может преодолеть фундаментальный предел скорости-расстояния без квантовых повторителей. Экспериментально TF-QKD уже был выполнен на более, чем 400-х км телекоммуникационных волокон, а также на более 1000-и км свободного пространства через каналы спутниковой связи.

Такой результат возможен благодаря другому способу кодирования и извлечения информации на квантовых носителях, используемых для протокола. В TF-QKD информация кодируется в фазе оптических импульсов, подготовленных двумя пользователями, которые хотят установить безопасную связь, а секретный ключ извлекается с помощью измерения интерференции одиночных фотонов, выполняемого пользователем в середине. Еще одним интересным аспектом TF-QKD является то, что он также не зависит от измерительного устройства, что означает, что он соответствует самым строгим стандартам безопасности.

DAVE MAKICHUK