Состоялся первый сеанс трансконтинентальной спутниковой квантовой связи

29 сентября президенты Австрийской и Китайской академии наук провели первый сеанс трансконтинентальной связи, ключ шифрования для которой был распределен с помощью методов квантовой криптографии. Эксперимент установил новый рекорд дальности квантовой связи — свыше 7400 километров (расстояние между Веной и Пекином). Ключевым инструментом стал спутник «Мо Цзы» (Micius, QUESS), известный первой успешной телепортацией квантового состояния частиц на орбиту Земли. Как отмечает пресс-релиз Китайской академии наук, аналогичные сеансы связи в будущем состоятся между Китаем и Россией, Германией, Италией и Сингапуром. Кратко об этом сообщает издание Physics World.

Обновлено: в январе 2018 года статья опубликована в Physical Review Letters.

Квантовое распределение ключа — особый способ генерации секретного ключа между отправителем и получателем информации, который делает перехват информации невозможным на уровне законов квантовой механики. Он заключается в следующем. Отправитель создает одиночные фотоны в случайном состоянии, кодирующем либо ноль, либо единицу в случайно выбираемом методе измерения. Например, вертикальная и горизонтальная поляризация кодируют «ноль» и «единицу» в одном методе измерения, а две диагональных поляризации отвечают «нулю» и «единице» в другом методе измерения. Затем получатель случайным образом выбирает способ измерения состояния фотона. На последнем этапе участники связи обмениваются выбранными способами приготовления и измерения состояний и, если они совпадают, полученный бит записывается в секретный ключ шифрования. Любая попытка третьей стороны «подслушать» поляризацию фотона приведет к необратимому изменению его состояния — отправитель и получатель обнаружат ошибки при частичной сверке ключа, после чего «подслушанный» ключ будет отвергнут. Подробнее об этом протоколе можно прочесть в нашем материале «Выдергиваете и сжигаете».

В наземных условиях квантовое распределение ключа ограничено потерями одиночных фотонов в среде — например, в оптоволокне. Поэтому предельные расстояния передачи сигнала — около ста километров. Эту дистанцию можно увеличить используя менее «шумную» среду, такую как космическое пространство. Первые эксперименты по квантовому распределению ключа были проведены с помощью китайского спутника «Мо Цзы», одиночные фотоны передавались к наземным станциям с помощью телескопов на расстояния до 1200 километров. 

Новый эксперимент был построен следующим образом. На первом этапе с помощью квантовых методов генерировался секретный ключ между «Мо Цзы» и обсерваторией неподалеку от Вены. Затем другой ключ создавался между спутником и Пекином. На последнем этапе два ключа объединялись на «Мо Цзы» и распределялись между городами. Технические подробности (длина ключей, скорость генерации) не уточняются. 29 сентября эти ключи использовались для шифрования сеанса видеосвязи между Бай Чуньли, президентом Китайской академии наук, и Антоном Цайлингером, президентом Австрийской академии наук.

Существует альтернативный подход к квантовому распределению ключа, не требующий использования спутников — использование доверенных промежуточных узлов. По такой схеме была построена линия связи Пекин-Шанхай с протяженностью 2000 километров (32 промежуточных узла).

Городские квантовые сети существуют уже в десятке стран, в том числе и в России — в Москве, Казани и Санкт-Петербурге. Недавно на базе московской квантовой сети ученым удалось выстроить квантовый блокчейн.

Владимир Королёв