Инженеры Кембриджской исследовательской лаборатории компании Toshiba провели первую демонстрацию передачи сигнала квантовой связи по оптоволоконной линии длиной более 600 километров с использованием нового протокола подавления помех. Он позволяет реализовать безопасную передачу ключей шифрования по квантовым линиям связи на большие расстояния и в будущем может стать одним из звеньев «квантового интернета».
Понятие «квантового интернета» подразумевает глобальную сеть квантовых компьютеров, объединённых при помощи квантовых линий связи через большие расстояния. От такой сети ожидается сверхвысокая скорость для задач оптимизации в облачных хранилищах, высокоточная глобальная система синхронизации, а также повышенная надёжность передачи конфиденциальных данных. До практической реализации «квантовой всемирной паутины» пока далеко, но сегодня анонсированы несколько крупных правительственных проектов (в частности, в США, ЕС и Китае), направленных на исследование квантового интернета.
Одна из наиболее сложных технологических задач при построении «квантового интернета» — передача квантовых битов информации по оптоволоконным кабелям на большие расстояния. Небольшие изменения параметров среды, например, колебания температуры, приводят к изменению геометрии кабеля (удлинению или сжатию его участков), соответственно разрушая кубиты, которые кодируются в виде фазовых сдвигов оптических импульсов в оптоволокне.
Компания Toshiba продемонстрировала квантовую линию связи рекордной длины, реализованную с использованием недавно предложенной «двухполосной» (Dual Band) технологии стабилизации сигнала. Она предполагает посылку двух опорных оптических сигналов на разных длинах волн для уменьшения фазовых флуктуаций на оптоволоконном канале большой длины. Сигнал на одной длине волны используется для уничтожения «быстрых» флуктуаций. Второй опорный сигнал с такой же длиной волны, какая используется для передачи собственно информации (квантовых кубитов) помогает достичь тонкой подстройки фазы. В результате внедрения этой технологии инженерам Toshiba удалось зафиксировать оптическую фазу квантового сигнала с точностью до нескольких десятков нанометров на оптоволоконных линиях длиной в сотни километров. Без такой или аналогичной технологии устранения флуктуаций в реальном времени квантовая информация на линиях такой длины безвозвратно теряется из-за того, что при малейшем изменении температуры участки линии удлиняются или укорачиваются на длины, значительно большие, чем длина волны сигнала, соответственно утрачивается информация о его фазе (в экспериментах использовался лазер с длиной волны около 1500 нм, соответствующей ближней инфракрасной области).
Первым применением технологии двухполосной стабилизации стала передача квантовых ключей (QKD, Quantum Key Distribution) на большие расстояния. Коммерческие системы QKD сегодня ограничены расстояниями 100—200 км для оптоволоконных линий. В 2018 году Toshiba предложила протокол Twin Field QKD, позволяющий увеличить расстояние передачи ключа, и с тех пор проводила эксперименты по исследованию его устойчивости к потерям сигнала в оптоволокне на разных расстояниях. Вкратце, технология Twin Field предполагает, что сигналы генерируются на стороне каждого пользователя линии (как принято в теории линий связи, их обозначают Alice и Bob) и затем попадают на промежуточную «измерительную станцию» на пути между ними (традиционное обозначение такого «третьего пользователя» Charlie) — вместо схем, при которых пары импульсов посылает одна из сторон и в которых часто для увеличения дальности в качестве узла (узлов) Charlie используются квантовые повторители. Фактически речь идёт о модификации повторителя, который принимает и сравнивает одновременные сигналы от двух пользователей, отсюда наименование Twin Field. Использование двухполосной стабилизации в первый раз позволило реализовать протокол TF QKD с квантовой передачей ключа на линии длиной более 600 км. Результаты эксперимента опубликованы в июне 2021 года в Nature Photonics.
Технология квантовой передачи ключа позволяет пользователям обмениваться конфиденциальной информацией по незащищённым каналам связи, в частности, через интернет. Она заключается в передаче пользователям на обеих сторонах линии секретного «ключа» для раскодирования сообщения. Безопасность передачи ключа опирается на фундаментальные свойства квантовых систем (фотонов), которые используются для генерации и передачи ключа. Если в линию передачи информации вклинивается посторонний пользователь («взломщик») и получает доступ к сигналу, прослушка мгновенно обнаруживается в силу законов квантовой физики. Это происходит благодаря тому, что поведение квантовой системы зависит от наличия наблюдателя, «изменяющего» её свойства (отсюда вытекает множество контринтуитивных утверждений, включая известный квантовый парадокс с «котом Шрёдингера». Более подробно об этом можно прочитать во вставке к этой статье).
В отличие от других используемых сегодня способов обеспечения безопасности, методы квантовой криптографии опираются только на законы квантовой механики, и безопасность таких протоколов (по крайней мере теоретически) не зависит от того, насколько в будущем разовьются вычислительные технологии и математические алгоритмы для взлома ключей, даже с учётом предполагаемого массового появления квантовых компьютеров. Поэтому технологии «квантовой передачи ключей», или QKD, вероятно, станут существенным инструментом для обеспечения безопасной передачи критической информации в будущих линиях связи.