Российские ученые передали квантовый сигнал вместе с классическим по одному оптоволокну
Российские ученые осуществили квантовую генерацию ключей — передали однофотонные состояния — в одном оптическом волокне с мощным классическим излучением. Для реализации этого эксперимента был использован метод спектрального мультиплексирования, сообщается в пресс-релизе, поступившем в редакцию N + 1. При дальнейшем развитии опробованная технология позволит обойтись без использования дефицитного «темного» (свободного от передачи классических данных) волокна.
Большинство повседневных задач шифрования решается при помощи криптографии с открытым ключом — методе, при котором секретность основывается на сложности математических задач. В будущем такой подход может оказаться рискованным — изобретение новых алгоритмов и появление универсальных квантовых компьютеров позволит подбирать ключ для взлома достаточно быстро. Значительно более совершенным методом оказывается криптография с закрытым ключом: секретная последовательность символов, используемая для такого подхода, известна только отправителю и получателю. Наиболее уязвимым местом в схеме с закрытым ключом становится процедура обмена ключами между пользователями.
Из-за того, что ключ нельзя безопасно передать по каналу связи, необходимо пользоваться услугами доверенного курьера, физически доставляющего ключ от пользователя к пользователю. В последние годы все большее развитие получает метод квантового распределение ключей, позволяющий сформировать закрытый криптографический ключ у двух удаленных пользователей, соединенных оптическим каналом связи. Секретность полученных ключей гарантируется фундаментальными принципами квантовой физики. Подробнее о том, как устроена квантовая криптография и чем она отличается от классической можно узнать из нашего курса по квантовым технологиям.
В классической передаче данных одно оптическое волокно может быть использовано для одновременного распространения десятка различных сигналов, отличающихся друг от друга длинами волн излучения. Эта технология называется спектральным мультиплексированием. Если длины волн соседних каналов отличаются немного (0,8 нанометров при характерной длине волны 1550 нанометров), то используется DWDM (плотное мультиплексирование с разделением по длине волны). Если же длины волн кодируемых сигналов отличаются на 20 нанометров, то говорят о СWDM — грубом мультиплексировании.
Для передачи квантового сигнала обычно используют ослабленное излучение — фотоны, кодирующие кубиты, летят практически поодиночке, поэтому выделить их среди миллиардов фотонов, переносящих классические сигналы, довольно сложно. Даже если изначально классические и квантовые сигналы отличаются по длине волны, то в процессе распространения комбинационное рассеяние, происходящее в оптическом волокне, неизбежно приводит к тому, что часть фотонов классического сигнала «перепрыгнет» на длину волны квантового. Такие фотоны имеют случайную поляризацию, что приводит к росту числа ошибок в квантовом сигнале и препятствует генерации ключей. Поэтому для квантового распределения ключей используется «темное», то есть свободное от передачи данных оптоволокно. Прокладка или аренда волокна для соединения оборудования квантового распределения ключей — значительная статья расходов при строительстве квантовых сетей.
Для того чтобы реализовать квантовое распределение ключей параллельно с мощным излучением, необходимо усилить фильтрацию, максимально уменьшив «окно» приема для квантового сигнала. Кроме того, переход в менее выгодный, с точки зрения потерь, спектральный диапазон 1310 нанометров позволяет снизить вклад рассеяния в волокне. Пока экспериментально эту технологию осваивают в Великобритании, Швейцарии, Китае и России.
Команда физиков из QRate первыми среди российских компаний провели успешный эксперимент по одновременной передаче классического и квантового сигналов по единому оптоволокну с использованием спектрального мультиплексирования. Им удалось эффективно сгенерировать секретный ключ в «светлом» волокне.
Приблизить эксперимент к реальным условиям ученым позволило использование промышленного телекоммуникационного оборудования российского разработчика и производителя Т8. Квантовое распределение ключей команда QRate осуществлялa c помощью собственного оборудования, работающего по протоколу BB84-Decoy State на поляризационных состояниях.
В процессе передачи классической информации и квантового ключа было задействовано два DWDM-канала со скоростью 600 гигабит в секунду на одну несущую частоту. Транспондер передавал классический трафик сонаправлено с поляризационными состояниями передатчика и был закольцован на собственные приемники. Суммарная мощность классического излучения составила 4 милливатта. Для сравнения физики задействовали разные линии передачи связи — 25 и 50 километров со сниженными потерями (Corning SMF-28 ULL) и 50 километров стандартного волокна (Corning SMF-28e).
В результате эксперимента скорость генерации секретного ключа на «светлом» волокне составила: 27,1 и 7,3 килобит в секунду на 25 и 50 километрах волокна с низкими потерями, и 0,7 килобит в секунду на 50 километрах стандартного.
Несмотря на то что идея использования спектрального мультиплексирования для передачи квантовых сигналов была предложена ранее, ее применение в коммерческих установках — новый шаг в развитии и упрощении квантовых линий связи для российских компаний. О том, как начиналась работа над первой в России квантовой линией связи между двумя банками мы писали в материале «Выдергиваете и сжигаете».
Компании и лаборатории, исследующие и реализующие квантовое распределение ключа, стремятся не только упростить и удешевить схему, но и передать ключ на как можно большее расстояние — физикам уже удалось передать его на 511 километров.
Оксана Борзенкова
Ее до сих пор не удавалось зарегистрировать из-за акустичности, электро-нейтральности и отсутствия взаимодействия со светом
Физики экспериментально обнаружили в рутенате стронция Sr2RuO4 особый вид плазмона — демон Пайнса. Существование этой частицы было предсказано 67 лет назад, но из-за акустичности, электро-нейтральности и из-за отсутствия взаимодействия со светом ее до сих пор не удавалось зарегистрировать. Чтобы обнаружить демона, ученые применили метод спектроскопии характеристических потерь энергии электронов с разрешением по импульсу. Статья опубликована в журнале Nature. В 1952 году американские физики Дэвид Пайнс и Дэвид Бом описали коллективное поведение электронного газа в плазме, которое можно представить в виде квазичастицы, которую назвали плазмоном. Некоторые виды плазмонов уже научились регистрировать. В 1956 году Пайнс предположил, что в металлах могут существовать особые плазмоны, которые возникают при колебании электронов из разных зон в противофазе, что приводит к модуляции заселенности этих зон. Такие плазмоны назвали демонами: они не обладают ни массой, ни электрическим зарядом, да и со светом не взаимодействуют, — поэтому их крайне сложно зарегистрировать обычными методами. Группа физиков под руководством Петра Аббамонте (Peter Abbamonte), профессора Университета Иллинойса, изучала рутенат стронция Sr2RuO4. Этот металл обладает тремя вложенными зонами, пересекающими энергию Ферми, и поэтому может быть кандидатом на появление в нем демона. Ученые использовали метод электронной спектроскопии потерь энергии электронов с высоким разрешением по импульсу в режиме отражения. Этот метод позволяет измерять как поверхностные, так и объемные возбуждения в металле при ненулевой передаче импульса q, где сигнатура демона ожидалась наиболее четкой. Спектры потерь энергии электронов при большой передаче энергии и больших переданных импульсах — более 0,28 единиц обратной решетки — демонстрируют бесхарактерный энергонезависимый континуум. При малых переданных импульсах — q менее 0,16 единиц обратной решетки — ученые обнаружили широкую плазмонную особенность с максимумом в районе 1,2 электронвольта. Ученые обнаружили, что в низкоэнергетическом режиме, при q менее 0,08 единицы обратной решетки, метод выявляет акустическую моду. Дисперсия моды оказалась линейной в большом диапазоне импульсов, с групповой скоростью примерно в 100 раз больше скорости акустических фононов, которые распространяются со скоростью звука, но на три порядка меньше, чем для поверхностного плазмона, распространяющегося со скоростью, близкой к скорости света. Однако скорость моды находится в пределах 10 процентов от предсказанной расчетами скорости для демона. Как отмечают ученые, это возбуждение явно электронное и это как раз и есть демон, предсказанный Пайнсом 67 лет назад. Наблюдение демона стало возможным, благодаря высокому разрешению в миллиэлектронвольт в используемом методе. Однако для дальнейшего изучения демонов ученые предлагают повысить точность, используя высокоэнергетические электроны в сканирующем просвечивающем электронном микроскопе с высоким разрешением, работающем в расфокусированной конфигурации. Физики отмечают, что требуется новая теория демонов, которая точнее опишет полученные экспериментальные данные. Эти квазичастицы могут быть ответственны за возникновение сверхпроводимости и играть важную роль в низкоэнергетической физике многих многозонных металлах. Изучение демонов и других видов плазмонов важно для описания коллективного поведения электронов в разных веществах. Например, недавно мы писали как физикам удалось увидеть часть плазмонной матрицы плотности.