Российская и китайская наземные станции обменялись квантовыми ключами

Российские ученые установили канал с квантовой защитой между РФ и КНР с помощью спутника. Они полностью собрали, настроили и запустили наземную станцию в Звенигороде, построили модель установки и обменялись изображениями с китайской станцией. Результаты работы опубликованы в журнале Optics Express.

Квантовая коммуникация стала одной из первых квантовых технологий, которая нашла коммерческое применение, и стала популярна для безопасной передачи зашифрованной информации. Например, в России еще в 2017 году запустили первую линию квантовой связи между двумя банками.

Несмотря на разработки разных протоколов передачи сигнала и его устойчивости к атакам, проблема затухания при передаче излучения на большие расстояния остается актуальной. Решить ее можно дополнением и усложнением волоконной системы, или переходом от волоконных линий передачи к открытому пространству, то есть к использованию спутниковой связи. Такие эксперименты уже проводились, причем не только для того, чтобы проверить работоспособность и эффективность метода, но и с целью перенести наработки из оптоволоконных технологий.

Команде ученых из Университета МИСиС, Российского квантового центра и компании «КуСпэйс Технологии» удалось передать информацию по защищенному квантовому каналу между Россией и Китаем на расстояние 3,8 тысячи километров. В этой же системе физики научились обрабатывать сигнал с учетом неидеальности детекторов для повышения точности передачи.

В работе физики задействовали спутник «Мо-цзы» и смогли отправить зашифрованное изображение 256×64 пикселя из наземной станции в Звенигороде в Наньшань и принять зашифрованное изображение из Наньшаня.

Перед тем, как проводить эксперимент, ученые построили его модель и попробовали предсказать как, например, от положения спутника будет зависеть скорость передачи или уровень ошибок.

Авторы полностью собрали и настроили наземную станцию в Звенигороде для приема и передачи сигнала. Станцию оснастили системой сбора, наведения и отслеживания, которая задействовала два телескопа: грубое управление станцией осуществляла моторизованная установка основного телескопа, которая использовала расчетное положение спутника на орбите, а вспомогательный 70-миллиметровый телескоп с камерой был наведен на спутник. Алгоритм камеры определял центр изображения спутника и регулировали ориентацию телескопа. Разные длины волн света восходящего и нисходящего пучков позволили выполнять спектральную фильтрацию, благодаря чему удалось получить высококонтрастное изображение.

Дополнительно звенигородскую станцию оснастили системой анализа и обработки оптических сигналов для регулировки отклонения луча, вращения системы отсчета поляризации и спектральной фильтрации фотонов. Это позволило корректировать отклонения пучка с квантовыми сигналами с точностью менее 10 микрорадиан.

Все настройки и дополнительные методы анализа позволили передать секретный ключ длиной 310 килобит, рассчитанный авторским методом, который они предложили в работе. Полученная величина длины ключа, низкие потери и другие преимущества схемы позволят повысить скорость передачи данных с помощью систем квантового распределения ключей на большие расстояния

Пока спутниковая связь с квантовой защитой недоступна для глобального коммерческого использования и оптоволоконные линии активно применяются для квантового распределения ключей: например, разрабатывают новые повторители сигнала и передают квантовый сигнал вместе с классическим по одному волокну, упрощая интеграцию квантовых систем.