Физики обновили рекорд дальности квантовой связи по оптоволоконному кабелю

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 бита в секунду. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на 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 Читать дальше.

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).

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.

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» передали фотоны 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