25.04.2014 | Наука

Новые квантовые сети будут полигоном для проверки кибербезопасности и физических теорий

Китайские учёные объявили о том, что они начали установку крупнейшей в мире сети квантовых коммуникаций, которая будет объединять 2000-километровое расстояние между Пекином и Шанхаем.

Также о работе объявил совместный консорциум компаний Toshiba, BT и ADVA совместно с британской Национальной физической лабораторией в Теддингтоне. Инженерам удалось достичь впечатляющих результатов в испытаниях собственной квантовой сети. Эти итоги дают надежду на то, что квантовые коммуникации могут осуществляться даже через существующие волоконно-оптические инфраструктуры.

Прежде всего, этот вопрос важен для кибербезопасности. Стандартный бинарный код, где единицы и нули шифруют и дешифруют информацию, не столь надёжен. Квантовые связи используют технологию квантового распределения ключей (QKD), которая основана на уникальных субатомных свойствах фотонов.

"Новый подход позволяет полностью удалить слабое звено существующих систем", — сообщает Грегуар Риборди (Grégoire Ribordy), соучредитель и исполнительный директор ID Quantique, женевской компании, занимающейся квантовой криптографией.

Методика позволяет отправлять пучок фотонов, которые находятся в определенных квантовых состояниях, характеризующих криптографический ключ. Если кто-то пытается перехватить ключ, акт перехвата изменяет квантовое состояние, предупреждая пользователей о нарушении политики безопасности.

"Китайская сеть не только обеспечит высокий уровень защиты для государственных и финансовых данных, но позволит испытывать на практике квантовые теории и новые технологии", — говорит Цзянь-Вэй Пан (Jian-Wei Pan), квантовый физик из Китайского университета наук и технологий, который курирует китайский проект.

Используя эту сеть, Пан надеется испытать некоторые теории, а также запустить в 2015 году квантовый спутник. Среди планов учёных — проверить явление квантовой запутанности, при котором изменение состояния одной частицы влияет на состояние другой, даже если они находятся на большом расстоянии друг от друга.

Отправка одиночных фотонов на большие расстояния является одной из самых значительных проблем в работе с QKD, поскольку они могут быть поглощены оптическими волокнами, что автоматические делает ключ труднообнаруживаемым со стороны получателя. Для обычных детекторов это может стать проблемой, но технологические прорывы в последние годы значительно сократили уровень шума, увеличив эффективность детекторов при обнаружении фотонов от 15% до 50%.

Значительные улучшения также претерпела и скорость, с которой детектор может "подсчитывать" фотонные пучки, что является ключевым моментом для скорости отправки квантовых ключей и, соответственно, общей скорости работы сети. Как сообщают учёные, скорость "счёта" удалось повысить в 1000 раз, а именно до 2 гигагерц.

"Технологические прорывы позволяют также увеличить расстояние, на которое квантовые сигналы могут быть посланы. Недавние испытания на неиспользуемых телекоммуникационными компаниями оптических волокнах показали, что квантовые сигналы можно отправлять на 100 километров", — рассказывает Дон Хейфорд (Don Hayford), исследователь из компании Battelle.

Передача фотонов на большие расстояния потребует создания либо так называемых узловых точек, либо же квантовых спутников. Чтобы осуществить связь между Пекином и Шанхаем, потребуется 32 узловые точки.

Китай не одинок в своём стремлении построить сеть квантовой коммуникации. Команда во главе с Хейфордом и его коллегами из компании ID Quantique, начала устанавливать 650-километровую сеть между штаб-квартирой Battelle в Колумбусе, Огайо, и её офисом в Вашингтоне, округ Колумбия. В будущем Хейфорд планирует установить такие же сети между крупнейшими городами США, но для начала ему предстоит найти финансирование для осуществления этой идеи.

Для отправки квантовых ключей и китайские, и американские сети будут использовать так называемые тёмные волокна — проложенные телекоммуникационными компаниями, но не используемые в настоящее время. Впрочем, эти волокна не всегда доступны к использованию и могут быть слишком дорогими. Один из способов обойти эту проблему — это переводить фотонные пучки в "светлые" волокна, которые передают обычные телекоммуникационные данные. На этом этапе также возникает проблема: обычные потоки данных, как правило, примерно в миллион раз интенсивнее, чем квантовые, и потому последние зачастую заглушаются.

В статье журнала Physical Review X учёные описывают стабильную и безопасную передачу QKD по "светлым" волокнам между двумя станциями британской телекоммуникационной компании BT, удалёнными на 26 километров друг от друга. Квантовые ключи отправлялись в течение нескольких недель с высокой скоростью вместе с четырьмя каналами обычных данных, передаваемых по тем же волокнам. Прежде такое осуществить удавалось только в лабораторных условиях.

"Реализация методики QKD в "реальном мире" является гораздо более сложной задачей, чем то же самое, но в контролируемой лабораторной среде, в силу колебаний и больших потерь в самом волокне", — поясняет ведущий автор работы Эндрю Шилдс (Andrew Shields) из исследовательского центра компании Toshiba.

Квантовые ключи в новейшем исследовании были отправлены вместе с обычными данными, идущими на скорости 40 гигабит в секунду. Как поясняют учёные, это самая высокая пропускная способность данных для квантовых сетей, известная на сегодняшний день.

По публикациям UkrNet