Физики реализовали масштабируемую сеть квантовой коммуникации

Физики предложили легко масштабируемый способ распределения информации по квантовым каналам связи между несколькими участниками. Ученые экспериментально реализовали разработанный протокол в Бристоле на расстоянии десятков километров. Работа опубликована в журнале Science Advances.

Квантовая коммуникация позволяет пользователям обмениваться информацией по абсолютно защищённому каналу связи. Дело в том, что безопасность такого способа передачи сообщений основана не на вычислительной сложности определенных алгоритмов, которые теоретически могут быть взломаны, а на фундаментальных законах физики. Использование квантовой запутанности позволяет легко узнать, прослушивается ли канал связи.

Чтобы полноценно использовать квантовую связь, необходимо научиться передавать информацию на расстояния порядка десятков и сотен километров. Большинство реализованных примеров квантовой коммуникации, масштабируемых до таких размеров, основано на использовании повторителей, или доверительных узлов. Проблема заключается в том, что если этих узлов много, то обеспечить безопасность каждого из них не представляется возможным.

Ученые из Англии, Австрии, Хорватии и Китая под руководством профессора Руперта Урсина (Rupert Ursin) разработали новый метод распределения информации между несколькими пользователями на большие расстояния без доверительных узлов и сложной многочастичной запутанности и провели сеанс квантовой связи в Бристоле между восьмью участниками.

Метод, предложенный учеными, основан на простой двучастичной запутанности между частотными модами сигнала. Такой подход позволяет квадратично сократить количество используемых каналов связи, что очень важно для масштабируемости квантовой коммуникации. Более того, в то время как пользователей соединяет всего один канал, каждый может передать секретную информацию каждому, то есть топология логической связи, несмотря на простую физическую имплементацию, — это полный граф.

Для демонстрации разработанной схемы физики рассмотрели группу из восьми пользователей. Для успешного распределения достаточно было взять восемь частотных мод, внутри которых фотоны были запутанны. Для экспериментального подтверждения ученые провели сеанс в Бристоле с использованием оптоволокна, а запутанность создавалась в нелинейных кристаллах. В результате физикам удалось достичь скорости генерации ключа порядка ста бит в секунду.

С помощью такой схемы также можно распределять запутанность, что важно для реализации квантового интернета. Ранее мы писали как физикам из Китая удалось запутать два узла памяти через оптоволокно длиной 50 километров. В сентябре 2017 года эта же группа ученых установила рекорд дальности квантовой связи: с помощью спутника ученые телепортировали квантовое состояние на расстояние более 7500 километров.

Михаил Перельштейн