Квантовую память впервые использовали для защищенной квантовой связи

Схема установки. Модули квантовой памяти обозначены группами красных шариков (атомов рубидия).

Wei Zhang et al. / arXiv.org, 2017

Китайские физики впервые реализовали протокол прямой секретной квантовой связи с использованием элементов квантовой памяти. В отличие от классических протоколов квантовой криптографии такая связь не требует предварительного создания ключа и позволяет передавать сообщения напрямую без риска перехвата. Роль носителей информации в ней играют запутанные фотоны. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает Phys.org. 

Одна из главных проблем безопасной передачи данных — защита шифрования и каналов связи от взлома. В ряде случаев такую защиту можно сделать абсолютной, не взламываемой даже с неограниченными вычислительными ресурсами. К примеру, для классических алгоритмов абсолютно невзламываемым является блокнотное шифрование. Если и у отправителя и у получателя есть два идентичных блокнота, заполненных случайным набором единиц и нулей, то эти единицы и нули можно просто добавлять к каждому биту сообщения, отправлять в таком виде записку, а затем вычитать их же с помощью второго блокнота. При условии однократного использования каждого бита из блокнота расшифровать такое сообщение невозможно: все возможные ключи дадут все возможные сообщения с длиной, равной закодированному сообщению. 

Блокноты необходимо передать от отправителя к получателю, прежде чем создавать канал связи. Сделать эту передачу абсолютно безопасной позволяют квантовые алгоритмы, протокол квантового распределения ключа. Он основан на передаче информации в одиночных фотонах с случайным состоянием («0» или «1») и случайным методом записи информации в него (условно диагональных или вертикально/горизонтальных поляризациях). Попытка перехватить и измерить такой фотон, согласно законам квантовой механики, необратимо изменит его состояние и это заметит получатель. Подробнее об этом протоколе можно прочесть в нашем материале «Выдергиваете и сжигаете».

Но можно организовать защищенный канал связи и без предварительного распределения ключа — для этого был создан протокол прямой защищенной квантовой связи (DQSC). Он основан на том, что с помощью запутанных частиц и небольшого количества классических данных также можно передавать информацию. Запутанными называют такие квантовые состояния двух или большего числа частиц, когда насколько сильно бы не были отдалены две запутанные частицы, они ведут себя как единое целое. К примеру, два запутанных фотона, могут нести взаимно перпендикулярную поляризацию, при этом их поляризация случайна. Если при измерении поляризации первого окажется, что она горизонтальна, то второй фотон моментально — даже находясь на огромном расстоянии — примет вертикальную поляризацию. Важно отметить, что без данных, передаваемых по классическому каналу и движущейся со скоростью, не превышающей световую, с помощью запутанных частиц передавать полезную информацию невозможно.

Авторы новой работы впервые экспериментально реализовали протокол DQSC с квантовой памятью. Алгоритм устроен следующим образом. На первом этапе отправитель (Алиса) создает несколько пар запутанных частиц. Затем одну частицу из каждой пары Алиса отправляет получателю — Бобу. Часть частиц используют для проверки — не прослушивается линия. Если связь безопасна, то Алиса проводит над своими оставшимися частицами измерения и эти данные используются для защищенной передачи данных. Квантовая память необходима для хранения запутанных состояний между проверкой и непосредственно передачей данных — она должна обеспечить хранение информации в течение сотен наносекунд.

В роли модуля памяти физики использовали холодные атомы рубидия, захваченные в магнито-оптическую ловушку — такие ловушки были как у отправителя, так и получателя сигнала. Запутанность между ловушками создавалась в два этапа. Сначала запутывался фотон и атомы одной ловушки, затем фотон передавался к другой ловушке и запутанность возникала уже между двумя ловушками-модулями памяти. Авторы отмечают, что это не вполне соответствует оригинальному описанию протокола, однако реализовать дешифровку для запутанных пар фотонов в эксперименте оказалось слишком сложно. 

Тем не менее ученым удалось продемонстрировать почти все основные стадии протокола: создание запутанных пар, проверка секретности канала связи, распределение запутанных фотонов, их хранение и шифрование информации (это достигается подготовкой фотона перед отправкой ко второй ловушке). Дешифровка информации была заменена анализом матриц плотности состояний ловушек. Точность работы установки достигала 90 процентов, а скорость передачи информации, по оценкам авторов, составляла 2,5 бита в секунду. 

Системы связи на основе квантового распределения ключа существуют уже в нескольких странах: Японии, Китае, Швейцарии, США и России. Недавно мы сообщали о создании квантовых каналов связи между наземной станцией и самолетом, а прошлым летом Китай запустил первый спутник для квантового распределения ключа.

Владимир Королёв

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.