Квантовая криптография становится всё более реальной и близкой перспективой. Физики в США, Китае, России и других странах совершенствуют методы квантовой телепортации по обычным каналам связи. Сейчас научные работы вплотную приблизились к требованиям, которые выдвигаются к практическим квантовым криптографическим системам.

В отличие от традиционной криптографии, которая использует математические методы, чтобы обеспечить секретность информации, квантовая криптография основана на законах физики. Защита информации (в данном случае, неизменность параметров физического объекта) гарантируется принципом неопределённости Гейзенберга.

19 сентября 2016 года в журнале Nature Photonics опубликованы результаты экспериментов двух научных групп из Китая и Канады, которые установили новые рекорды по дальности квантовой телепортации по оптоволокну (1, 2). Это значит, что квантовые коммуникационные сети приблизились к практической реализации. В будущем они могут быть развёрнуты на обычной городской инфраструктуре, а также между городами.

Фото: Университет Калгари

Квантовая телепортация — передача квантового состояния на расстояние при помощи запутанной пары частиц, при которой состояние частицы разрушается в точке отправления и воссоздаётся в точке приёма. Для квантовой телепортации необходимо наличие двух каналов: квантового канала и традиционного классического канала для передачи дополнительной информации. Физически это может быть один и тот же канал, например, оптоволокно.

Как происходит квантовая телепортация

На практике квантовая телепортация между отправителем и получателем происходит через посредника, пишет New Scientist. Телепортация происходит очень просто, в три этапа.

1. Отправитель отправляет посреднику частицу А, состояние которой требуется передать получателю.
2. Получатель создаёт пару запутанных частиц B и C, одну из которых отправляет посреднику. Частица B сохраняется у получателя — после квантовой телепортации у неё будет такое же состояние, какое было изначально у частицы A.
3. Посредник измеряет состояние Белла в паре частиц A и C и запутывает их, сообщая получателю по обычному классическому каналу результат своего измерения. По законам квантовой механики получается, что, имея результат измерения, проведённого над парой частиц A и C, и плюс к тому запутанную с C частицу B, получатель сможет совершить необходимое преобразование над состоянием частицы B и восстановить исходное состояние частицы A.

Впервые в мире квантовая телепортация фотона состоялась в 1997 году. Тогда все стороны, участвующие в обмене фотонами (отправитель, получатель и посредник) находились в одной лаборатории на расстоянии несколько десятков сантиметров друг от друга.

В 2010 году квантовое состояние фотона удалось передать на 10 км. В 2012 году китайским физикам удалось за 4 часа передать 1100 запутанных фотонов на расстояние 97 км. В сентябре 2012 года физики из Университета Вены и Академии наук Австрии установили новый рекорд в квантовой телепортации — 143 км по воздуху между двумя Канарскими островами. Этот рекорд и держится до сих пор.

Проблема только в том, что это достижение не имеет смысла для построения реальных квантовых сетей, где требуется квантовый канал для передачи связанной частицы.

Масштабируемая сеть

Для практической реализации криптографической системы коммуникаций крайне важно именно наличие «посредника». В таком случае появляется возможность неограниченно масштабировать квантовую сеть на любые расстояния. В масштабируемой квантовой сети по примеру интернета пары частиц могут запутываться на каждом узле, так что при квантовой телепортации на большие расстояния между отправителем и получателем будет несколько посредников.

Так вот, если посредник отделён от отправителя и получателя (а это необходимо для масштабируемой сети), то бутылочным горлышком такой системы становится расстояние от посредника. Именно по этому квантовому каналу путешествуют частицы в хрупком запутанном состоянии.

Если считать расстояние от посредника до получателя, то до сегодняшнего дня рекордом дальности квантовой телепортации были скромные 800 метров. И вот теперь физики из Канады и Китая одновременно объявили о кардинальном увеличении этого лимита.

Вольфганг Титтел (справа) и его коллеги из Университета Калгари. Фото: Университет Калгари

Вольфганг Титтел (Wolfgang Tittel) с коллегами из Университета Калгари сумели увеличить расстояние между посредником и получателем до 6,2 км по прямой (научная работа, doi:10.1038/nphoton.2016.180). На карте Калгари показан оптоволоконный канал, по которому осуществлялась передача. Длина канала между посредником и получателем составляет 11,1 км.

А — отправитель, B — получатель, C — посредник. Иллюстрация: Университет Калгари. Карта: Google

Схема экспериментальной установки Университета Калгари изображена ниже.

Как видно на карте, расстояние по прямой 6,2 км покрывает значительную часть крупного города. Канадским физикам удалось добиться скорости передачи 17 фотонов в секунду, то есть обмен простыми криптографическими ключами будет происходить довольно долго.

Коллеги из Научно-технического университета Китая пошли ещё дальше и осуществили передачу запутанных фотонов между получателем и посредником в оптоволоконной квантовой сети протяжённостью 30 км на расстояние 12,5 км (научная работа, doi:10.1038/nphoton.2016.179).

Китайская система имеет немного другую конфигурацию: здесь пару связанных фотонов создаёт посредник и отправляет один из фотонов получателю, а не наоборот. Такая схема больше подходит для звездообразной топологии сети, то есть для развёртывания сети в городе.

Исходя из расстояния передачи, уже сейчас теоретически возможно создание квантовой сети телепортации с единым хабом в географическом центре города.

С другой стороны, канадская архитектура квантовой сети больше подходит для прокладки квантовых каналов между городами, с чередой репитеров на протяжённом канале.

Квантовая телепортация надёжно защищена от систем прослушки и перехвата, которые разворачивают в интернете разведывательные организации и правительства разных стран для слежки за своими и чужими гражданами. Перехват секретных ключей для квантового end-to-end шифрования фактически невозможен, потому что нарушает законы физики.