Физики из Китайской академии наук впервые реализовали протоколы квантовой криптографии между спутником и Землей, передав с его помощью на расстояние 1200 километров свыше 300 килобайт секретного ключа за время работы спутника. Ранее такие протоколы удавалось реализовать лишь на наземных системах и системах земля-самолет. Особенность протоколов квантовой криптографии в принципиальной невозможности «подслушать» секретный код, связанной с законами квантовой механики. Работа китайских ученых — первый возможный шаг к глобальной квантовой сети. Исследование опубликовано в журнале Nature.

Протоколы квантовой криптографии предназначены не для непосредственной шифровки сообщений, а для создания секретного ключа шифрования между отправителем и получателем. Они организованы следующим образом. Отправитель создает одиночные фотоны в случайном состоянии, кодирующем либо ноль, либо единицу в случайно выбираемом методе измерения. Например, вертикальная и горизонтальная поляризация кодируют «ноль» и «единицу» в одном методе измерения, а две диагональных поляризации отвечают «нулю» и «единице» в другом методе измерения. Затем получатель случайным образом выбирает способ измерения состояния фотона. Лишь если способ приготовления и измерения фотона совпадают, отправитель и получатель записывают полученный бит в секретный ключ шифрования.

Использование одиночных фотонов или других объектов квантового мира делает невозможным перехват секретного кода. Это связано с невозможностью точного клонирования квантовых состояний, а также с изменениями состояния частиц при измерении: невозможно измерить поляризацию одиночного фотона не изменив ее. Такие акты вмешательства приводят к увеличению числа ошибок на квантовой линии связи, что легко фиксируют отправитель и получатель.

Отслеживание «Мо Цзы» с обсерватории Синлун. Sheng-Kai Liao et al. / Nature

Вместе с тем одиночные фотоны сложно передавать — они легко теряются в «шумных» средах, сильно увеличивая количество ошибок при генерации ключа и тормозя этот процесс. Поэтому реализация квантовой связи на больших расстояниях затруднена — как оптоволокно, так и воздух, сильно рассеивают фотоны. В то же время, в разреженной среде верхних слоев атмосферы и в космосе потери фотонов минимальны, поэтому реализация квантового распределения ключа через спутники будет более эффективным решением.

Схема эксперимента. Sheng-Kai Liao et al. / Nature

Именно это удалось продемонстрировать китайским физикам с помощью спутника квантовой связи QUESS (или Micius, «Мо-Цзы»). Ученые реализовали квантовое распределение ключа между спутником и обсерваторией в Синлуне (неподалеку от Пекина). Расстояние между аппаратом и обсерваторией при этом колебалось от 650 до 1200 километров — «Мо Цзы» ежедневно пролетал над Синлуном примерно в полночь. Средняя длительность сеанса связи при этом не превышала пяти минут.

Всего ученым удалось передать около 3,5 миллионов фотонов со спутника к обсерватории за несколько месяцев работы, просеянный ключ имел длину около полутора мегабит. После процедуры коррекции ошибок в ключе и усиления секретности исследователи получили секретный ключ длиной около 300 килобит. Вероятность ошибки в нем не превышает одного ошибочного бита в гигабите. Скорость создания секретного ключа китайские физики оценивают в 1,1 килобита в секунду.

Интересно, что при попытке воспользоваться коммерческими оптоволоконными кабелями для передачи информации на 1200 километров, скорость передачи оказалась бы примерно на 20 порядков меньше (в сотни квинтиллионов раз) из-за потерь фотонов. На передачу одного бита просеянного ключа ушло бы около шести миллиардов лет.

С помощью «Мо Цзы» китайским физикам уже удалось побить рекорд квантовой запутанности и расстояния квантовой телепортации. В дальнейшем в планах миссии реализация квантовой спутниковой линии связи между Веной и Пекином. Физики также допускали возможность экспериментов по телепортации квантовых состояний на Луну. Аппарат был запущен меньше года назад —16 августа 2016 года.

Ранее мы сообщали о создании российскими исследователями городских квантовых сетей в Москве. Также квантовые сети есть в Казани и Санкт-Петербурге. Недавно на базе московской квантовой сети ученым удалось выстроить квантовый блокчейн.

Автор: Владимир Королёв