Американские физики создали квантовый повторитель на основе спинов в алмазном резонаторе и продемонстрировали на нем процедуру квантового распределения шифровального ключа. С помощью такого рода повторителей можно построить большие квантовые сети, на основе которых реализуется квантовый интернет. Работа опубликована в Nature.
Квантовые компьютеры потенциально создают угрозу всей современной криптографии, однако квантовая криптография — технология распределения шифровальных ключей, закодированных в квантовых состояниях — способна защитить данные даже от самых мощных компьютеров. Протоколы квантовой криптографии чаще всего реализуются с использованием фотонов, распространяющихся по оптоволокну, но, к сожалению, одиночные фотоны не способны долго «жить» в оптоволокне, поэтому расстояния между узлами квантовых сетей пока не превышают сотни километров.
Одно из возможных решений — это установка повторителей, который усиливают сигнал, и не дают фотонам затухать. Однако, если повторитель будет классический, то вся зашифрованная в квантовом состоянии информация превратиться в классическую и может быть легко украдена. Поэтому ученые работают над квантовыми повторителями, создание которых является крайне трудной задачей.
Группа физиков из Гарвардского университета и Массачусетского технологического института под руководством профессора Михаила Лукина, сооснователя Российского квантового центра, впервые реализовала квантовую систему, которая может служить повторителем при квантовом распределении ключа и, в дальнейшем, при передаче данных по квантовому интернету.
В качестве примера, группа рассмотрела протокол квантового распределения ключа между двумя пользователями (Алисой и Бобом) с использованием третьей стороны, которая в результате не получает ключ, но предоставляет двум легитимным пользователем важную информацию о квантовом состоянии, используемом для распределения ключ. Для этого третья сторона проводит белловское измерение состояний, которые изначально отправляют Алиса и Боб, и объявляет по открытом каналу результат. Этот результат вместе с информацией о начальном состоянии, которая есть только у Алисы и Боба, дает битовую строку, которую можно использовать в качестве ключа.
Проблема заключается в том, что состояния, закодированные в фотоны, которые отправляют Алиса и Боб должны дойти до третьей стороны одновременно, что крайне маловероятно. Поэтому третья сторона должна представлять из себя квантовую систему с некоторой памятью, что и было реализовано группой Михаила Лукина.
В качестве узла памяти ученые выбрали кремниевые вакансии в алмазном резонаторе. Фотоны, приходящие от Алисы и Боба взаимодействуют со спинами в алмазе, что приводит к сохранению состояния фотонов на достаточно долгое время, в эксперименте — около 0,2 миллисекунды. Затем это состояние измеряется в белловском базисе, и результат измерения объявляется.
Физики проверили действительно ли распределение ключа является квантовым с помощью неравенств Белла — нарушение неравенства составило 2,2, в то время как чисто классическая граница равна 2. В дальнейшем ученные собираются использовать более долгоживущие ядра изотопа углерода, что значительно увеличит эффективность узла, а также попытаются масштабировать квантовую сеть.
Недавно мы писали о том, как ученым удалось запутать два узла квантовой памяти, каждый из которых содержал 100 миллионов охлажденных атомов, через оптоволокно длиной 50 километров. В 2017 году группа Лукина создала рекордно большой на то время квантовый симулятор из 51 кубита, а в 2019 году смоделировала фазовый переход на этом симуляторе. Подробнее про квантовую криптографию вы можете прочитать в нашем материале «Квантовая связь без лишнего шума».
И ограничили другие экзотические сценарии на БАК
Физики из эксперимента CMS на Большом адронном коллайдере не нашли признаков того, что кварки состоят из еще более мелких частиц. Они проанализировали угловые распределения пар струй в протон-протонных столкновениях при энергии 13 тераэлектронвольт и поставили самые жесткие на сегодня ограничения на ряд сценариев новой физики. Результаты доступны на сайте препринтов arXiv.org, о них сообщает CERN.