Итальянские ученые экспериментально доказали возможность передачи информации по зашифрованному квантовому каналу при помощи уже имеющихся спутников связи. Работа принята к публикации в Physical Review Letters, а препринт исследования выложен на arXiv.org.
Авторы отправляли с земли поляризованные лазерные импульсы и детектировали отраженный спутниками сигнал. При этом доля отраженных фотонов с искаженной поляризацией оказалась ниже критического порога в 11 процентов. Таким образом, согласно теории информации, подобный канал связи может поддаваться квантовому шифрованию.
Ученые отправляли сигнал из итальянского комплекса Matera Laser Ranging Observatory, а в качестве отражателей использовали спутники Jason-2, Larets, Starlette и Ajisai. В том случае, если поверхность отражателей на спутниках была покрыта металлом, и поляризация фотонов сохранялась, доля ошибок в принятом сигнале составляла около 4 процентов. Для спутника Ajisai, отражатель которого неметаллизирован, доля ошибок была около 40 процентов.
Авторы также предложили схему модернизации современных спутников, чтобы они могли обеспечить квантовое шифрование сигнала. Для этого традиционные уголковые отражатели ученые предлагают оснащать вращателем Фарадея, который бы мог поворачивать плоскость поляризации фотонов на требуемый угол.
Кроме этого на спутник планируется устанавливать фильтр, который бы контролировал мощность излучения так, чтобы на Землю возвращался в среднем один фотон из каждого пучка. Это позволит обеспечить защищенность канала, так как появление в сигнале хотя бы одного «лишнего» фотона будет означать хакерскую атаку.
Квантовая криптография предполагает создание таких каналов связи, в которых сигнал будет защищен от «прослушивания» своими квантовыми свойствами. В теории такие каналы могут обладать гарантированной защитой, так как любой сценарий прослушки будет приводить к изменению квантовых состояний получаемого сигнала, что будет достаточным признаком стороннего вмешательства.
На практике возможности внедрения квантового шифрования в традиционные каналы связи затрудняется тем, что свет — наиболее популярный носитель квантового сигнала, — может быть передан по оптоволокну лишь на ограниченное расстояние. Далее сигнал искажается и уже не сохраняет необходимой информации. Использование спутников в качестве передающих устройств может поспособствовать развитию глобальных каналов связи с квантовым шифрованием.
Ранее уже были опубликованы работы, в которых детектировались индивидуальные фотоны, полученные с орбиты. Например, китайская группа ученых в 2013 году смогла зарегистрировать одиночные фотоны, отраженные от спутника CHAMP.