Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Физики наладили 30-метровую линию квантовой связи в турбулентных потоках воды

Схема проведения квантовой передачи зашифрованной информации под водой

Frederic Bouchard et al. / arxiv.org, 2020

Физики с помощью протокола квантовой связи BB84 зашифровали сообщение и передали пучком света под водой с турбулентным течением на 30 метров. По полученным оценкам максимальное расстояние работы линии зашифрованной связи может составлять до 80 метров. Препринт работы опубликован на сайте arxiv.org.

С развитием квантовых компьютеров и алгоритмов (например, алгоритм Шора способен за логарифмическое время — время обработки растет, как логарифм числа, — разложить большое число на два простых множителя для взлома ключа алгоритма шифрования RSA) все более актуальными становятся квантовые алгоритмы шифрования информации. С момента реализации протокола BB84 в 1984 году квантовое распределение ключа шифрования стало наиболее надежным вариантом для защищенной связи. На сегодняшний день ученые разработали коммерчески доступные устройства с квантовым распределением ключа через оптоволокно и новые протоколы для увеличения безопасности и частоты обновления ключей, а также провели эксперименты по квантовой передаче через канал спутниковой связи.

Многие протоколы имеют преимущество за счет многомерных квантовых состояний. Квантовая информация обычно кодируется на одном из компонентов степеней свободы фотона — поляризация, запаздывание, позиция и поперечный момент. Но можно использовать и несколько степеней свободы для образования более сложной структуры состояния фотона, например, когерентная комбинация поляризации и орбитального углового момента создает состояние фотона, которое используют в микроскопии, оптических пинцетах, классической и квантовой связи. Подробнее про принципы квантовой связи можно прочитать в нашем материале «Квантовая азбука: „Телепортация“».

Ученые реализуют протоколы квантового распространения ключа через каналы в свободном пространстве, однако в последнее время исследователи решают проблему защищенного обмена информацией между подводными исследовательскими аппаратами и кораблями на поверхности воды. Поглощение водой волн радиодиапазона привело к доминированию акустической технологии в обмене информацией под водой, но между 400 и 500 нанометрами есть окно прозрачности, в котором возможна квантовая и оптическая связь. Теоретические расчеты показывают, что максимум распространения информации в спокойных условиях — 300 метров при длине волны в 418 нанометров, чего достаточно для связи с исследовательскими аппаратами. Однако в водной среде нельзя не учитывать турбулентное течение, которое локально изменяет коэффициент преломления воды и приводит к смещению и искажению луча света. А потому ученые оптимизируют протоколы для увеличения расстояния связи и скорости обмена ключами.

Фредерик Бушар (Frederic Bouchard) с коллегами из Университета Оттавы исследовал канал подводной связи на расстоянии до 30 метров в условиях больших потерь информации. Ученые приняли во внимание вклад турбулентности и протестировали протокол BB84 в двух вариациях: поляризационной и двумерной структуре фотона.


Обмен информацией между отправителем Алисой и адресатом Бобом проводился в заполненном водой вытянутом резервуаре длиной 50 метров. Над резервуаром физики расположили рельсы с вагонеткой, на которой находился передатчик Алисы, чтобы варьировать подводное расстояние между связными. Передатчик Алисы в поляризационном варианте протокола представлял собой диод с длиной волны 532 нанометра, поляризующий светоделитель и поляризующие пластинки λ/2 и λ/4 для того, чтобы получить любое поляризованное состояние, а перед выходом из передатчика находился серый светофильтр для достижения среднего числа фотонов в 0,1 фотон в наносекунду. Для пространственно структурного варианта протокола — моды векторного вихря — ученые добавили после поляризующих пластинок спиральную фазовую пластину с топологическим зарядом q = 0,5. Затем с помощью перископа луч направлялся через объем воды и попадал в приемник Боба, который состоял из трехдюймовой линзы и зеркально воспроизводил устройство передатчика Алисы. После прохождения через поляризаторы луч света попадал в оптоволокно, связанное с однофотонным детектором. Чтобы детектировать состояния векторного вихря, спиральная фазовая пластина помещалась перед поляризаторами.

Для кодирования ученые использовали два попарно независимых базиса, что позволяет не допустить получения информации злоумышленником при ее проекции на неверный базис. Однородно поляризованные фотоны не должны испытывать влияние турбулентности, так как вода не проявляет свойства двулучепреломления, что на малых расстояниях делает ошибку несущественной. Однако длина канала и уровень турбулентности вносят потери из-за снижения вероятности попадания фотонов в детектор, что повышает вес темных участков спектра и долю шума с ростом расстояния между связными. Уровень ошибки квантового бита увеличивается с расстоянием, тогда как распространение ключа падает, но говорить о точных зависимостях невозможно, потому что естественная турбулентность непредсказуема — этим авторы описали резкое увеличение уровня ошибки на 20,5 метрах.

При использовании спиральной фазовой пластинки линейно-поляризованный фотон переходит в радиально-поляризованный, лево-циркулярно-поляризованный фотон переходит в право-циркулярно-поляризованный и наоборот, что отражается в изменении орбитального углового момента на +1 и −1, соответственно. За счет этого состояние фотона усложняется и теперь его состояние описывается четырехмерным пространством. Сложность настройки такой системы не позволила достичь расстояний больше десяти с половиной метров — на таких расстояниях уровень ошибки квантового бита с расстоянием уменьшался.


С помощью поляризационной томографии ученые исследовали влияние подводной турбулентности на распространение пространственного профиля векторного вихря. Для этого они измеряли интенсивность пучка на разных расстояниях с помощью поляризатора и камеры с зарядовой связью. Профиль по мере удаления от источника ослабевает из-за турбулентности, и начинают проявляться аберрация и астигматизм пучка, однако аберрация искажает профиль гораздо медленнее, чем в воздушной среде.

Распространению ключа мешает вероятность генерации второго и более фотонов в источнике, а также неидеальность детектора и потери канала. Физики вычислили параметр распределения плотности сигнала, который описывается распределением Пуассона. Они уточнили его с помощью значений шума сигнала, эффективности детектора и детектирования Бобом, а также потери канала. Затем полученные параметры определили оптимальное защищенное распространение ключа в зависимости от расстояния, согласно модели других канадских физиков. Физики приводят значение скорости распространения ключа на 10,5 метрах в 72 килобита в секунду. Ученые оценили максимальное расстояние подводного защищенного распределения ключа в 80 метров, и хотя экспериментальные данные меньше предсказанных теоретической моделью, общий тренд похож на теоретический.


Квантовая связь поможет сохранить данные в секрете, а потому активно развивается учеными во всем мире. В статье «Квантовая связь без лишнего шума» мы уже писали про рекорд в расстоянии распространения ключа в 550 километров при использовании оптоволокна. Рекорд распространения ключа в воздушной среде принадлежит китайскому спутнику «Мо-Цзы», с помощью которого ученые передали информацию на расстояние более 7400 км и организовали сеанс защищенной видеосвязи между Веной и Пекином.

Артем Моськин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.