Квантовое распределение ключей преодолело 830 километров оптического волокна

Физикам удалось собрать схему распределения квантового ключа для передачи сигнала на расстояние 830 километров без использования усилителей. На данный момент их результат — рекорд в дальности передачи секретного квантового ключа с ипользование протокола полей-близнецов (Twin field). Работа опубликована в журнале Nature Photonics.

Желание и попытки ученых увеличить расстояние передачи секретного квантового ключа упираются в сложности создания усилителей оптического квантового сигнала. Один из популярных протоколов, позволяющий увеличивать расстояние для распределения ключа без усилителей — протокол полей-близнецов (Twin Field). Мы писали подробно о том, что это за протокол зачем он нужен в материале «Квантовая связь без лишнего шума». Важная особенность TF протокола заключается в наличии помимо Алисы и Боба (приемника и передатчика) центрального недоверенного узла — Чарли. Его работа заключается в том, чтобы измерять состояния, которые посылают Алиса и Боб и объявлять результат измерения. При этом Чарли не знает ничего о том, какие состояния посылали Алиса и Боб, поэтому он не обязан быть доверенным и расстояние между легитимными пользователями считается от Алисы до Боба. Две главные сложности такого метода — на больших расстояниях в волокне фаза отптического сигнала может меняться и уплывать, а оба источника — Алиса и Боб — должны излучать сигнал на одинаковых частотах, то есть быть синхронизированы.

Группа физиков из научно-технического университета Китая под руководством Чжэн-Фу Хань (Zheng-Fu Han) смогла передать секретный квантовый ключ на рекордной расстояние с выскокой скоростью генерации. Авторы оптимизировали и улучшили процессы во всех весомых частях схемы — приемниках, передатичках, самой волоконной линии и немного модифицировали классический протокол.

В авторской схеме общий лазер на длине волны 1550,12 нанометров, шириной спектра в 100 герц и мощностью 20 милливатт находился в центральном недоверенном узле (Чарли) и светит оттуда непрерывно Алисе и Бобу по дополнительному волокну, длина которого совпадает с квантовым каналом. Алиса (или Боб) берут часть излучения от своих собственных лазеров и сбивают ее с приходящим от Чарли на светоделителе — производят гомодинное детектирование. В зависимости от того, насколько совпадает частоты лазеров Алисы (Боба) и лазера Чарли картина интерференции на выходе светоделителя будет отличаться. Результат взаимодействия двух пучков на светоделителе используется в качестве сигнала обратной связи для фазовой автоподстройки частоты собственного лазера Алисы (Боба). После этого частоты лазеров легитимных пользователей оказываются синхронизированы на общий внешний узкополосный источник. Так как линия очень длинная (больше 400 километров в каждую сторону), то мощность опорного сигнала, доходящая до Алисы и Боба составляет всего один нановатт. Тем не менее, авторы подчеркивают, что качество гомодинных детекторов позволяет удерживать стабильную синхронность фаз лазеров даже при входной мощности в 0,2 нановатт.

Алиса (Боб) привязывают излучение своего непрерывного лазерного источника к внешнему сигналу и пропускают излучение своих лазеров через 3 модуля — нарезающий, кодирующий и подстраивающий. Нарезающий модуль позволяет сформировать из непрерывного света отдельные импульсы, причем часть их них имеет на несколько порядков большую амплитуду. Эти импульсы используются в дальнейшем для оценки уплывания фазы в квантовом канале, а импульсы меньшей амплитуды — для генерации квантовых ключей. Для этого в кодирующем модуле этим импульсам присваивается случайное значение фазы {0, π/2, π, 3π/2} и случайное значение интенсивности для реализации протокола с состояниями-ловушками. Для состояний-ловушек фаза выбирается случайным образом во всем диапазоне от 0 до 2π. Подстраивающий модуль необходим для поддержания качественной интерференционной картины, когда импульсы от Алисы и Боба складываются на светоделителе Чарли. Перестраиваемые линии задержки позволяют синхронизировать время прихода импульса, аттенюаторы — согласовать амплитуды и ослабить сигнал до однофотонного уровня, компенсатор дисперсии предыскажает сигнал таким образом, чтобы после прохождения 400-километровой линии суммарное воздействие хроматической дисперсии было близко к нулю.

На стороне приёмника (Чарли) также для повышения качества интерференции используются модули корректировки состояния поляризации и фазовый модулятор, компенсирующий измеренное с помощью опорных импульсов изменение фазы в оптоволокне. Наличие мощных опорных импульсов на той же длине волны, что и квантовый сигнал, приводит к существенному вкладу Рэлеевского излучения в фоновую засветку и уровень шумов. Поэтому авторы оптимизировали и волоконную линию. Для эксперимента они использовали волокно G.654.E со сниженными потерями — 0,158 децибел на километр и низким коэффициентом Рэлеевского рассеяния.

Для детектирования фотонов ученые использовали детекторы на сверхпроводниковых плёнках. Они оптимизировали параметры детекторов для достижения максимального соотношения сигнал-шум. Так при эффективности детектирования фотонов 57,6%, уровень темновых отсчётов был меньше 0,13 герц.

Несмотря на то, что для эксперимента физики использовали не коммерческую линию, а катушки оптического волокна в лаборатории, им удалось показать рекордные значение расстояния для распределения квантового ключа без усилителей. Кроме того, скорость передачи разработанной схемы 0,014 бит в секунду превосходит все существующие схемы с использование протокола полей-близнецов. 

Предыдущий рекорд по передаче квантового ключа без усилителей с помощью такого же протокола — 511 километров, но в реальных условиях.

Оксана Борзенкова