Физики создают сверхсекретную квантовую сеть размером с город

Квантовая криптография обещает будущее, в котором компьютеры будут обмениваться данными друг с другом по сверхзащищенным каналам, используя безупречную квантовую физику. Но распространение достижений исследовательских лабораторий на сети с большим количеством узлов оказалось трудным. Теперь международная группа исследователей построила масштабируемую квантовую сеть в масштабе города для обмена ключами для шифрования сообщений.

Создание сети

Сеть может увеличиваться в размерах без необоснованного увеличения стоимости дорогостоящего квантового оборудования. Кроме того, эта система не требует надежности всех узлов, она устраняет любые слабые звенья, снижающие безопасность.

Как сказал Сиддарт Кодуру Джоши из Бристольского университета, сеть протестировали как в лаборатории, так и в развернутых оптических волокнах в городе Бристоле в Англии. Он и его коллеги продемонстрировали работу своей идеи, используя квантовую сеть с восемью узлами, где самые удаленные узлы находились на расстоянии 17 километров друг от друга, если судить по длине соединяющего их оптического волокна. Выводы команды опубликованы в Science Advances 2 сентября.

Принципы работы

Квантовая криптография включает использование законов квантовой физики для создания закрытого ключа кодирования и декодирования сообщений. Этот процесс называется квантовым распределением ключей, или QKD.

В наиболее часто используемом протоколе QKD одна сторона, Алиса, подготавливает и отправляет квантовый бит или кубит другой стороне, Бобу. Кубит - это частица в квантовой суперпозиции двух состояний. Боб случайным образом выбирает одно измерение частицы из всего набора.

Если Боб выберет правильный тип измерения, он будет знать значение, закодированное Алисой в кубите. После серии измерений таких кубитов Алиса и Боб публично обмениваются заметками и соглашаются использовать результаты определенного подмножества измерений (оба знают значение каждого кубита для этого подмножества). При этом они отбрасывают другие измерения. Важно отметить, что результаты не являются общедоступными, и Алиса и Боб используют их для создания закрытого ключа для шифрования и дешифрования сообщений, отправленных по общедоступной ссылке.

Проблема масштабирования

Но этот метод сложно масштабировать. Представьте, что вы хотите добавить в сеть еще одного пользователя, Чарли. Один из вариантов - Боб и Чарли устанавливают безопасное соединение. Затем Алиса может отправить сообщение Чарли через Боба, но она должна доверять Бобу.

«Это не очень привлекательно, - говорит член группы Себастьян Нойман из Венского института квантовой оптики и квантовой информации. - Весь смысл квантовой криптографии - безусловная безопасность».

Чарли может напрямую подключаться как к Алисе, так и к Бобу. Теперь этим двоим потребуется дополнительное оборудование для связи с Чарли, потому что новый узел не может быть добавлен без нарушения работы существующих узлов. И эта проблема возникает, когда вы добавляете всего один дополнительный узел. По мере добавления новых узлов требования усложняются. Например, сеть с двумя узлами имеет одно звено, сеть с тремя узлами - три, с восемью узлами - 28, а сеть с 100 узлами требует 4950.

Джоши и его коллеги использовали другой протокол QKD, который включает обмен запутанными частицами между любыми двумя узлами, чтобы разработать новый вид сети, который преодолевает многие из этих проблем.

Мультиплекс

В этом протоколе Алиса и Боб используют пары запутанных фотонов для создания секретного ключа. Получив один фотон из такой пары, Алиса случайным образом выбирает что-то одно из определенного набора измерений. Боб делает то же самое со своей частицей. Алиса и Боб получат одинаковый результат, если они выберут одно и то же измерение. Эти двое делятся своей последовательностью измерений парных частиц. Затем они выбирают подмножество, которое дало бы им такие же результаты, и отбрасывают остальные. Эти результаты, которые никогда не разглашаются публично, составляют основу закрытого ключа.

Вместо построения сети, в которой каждый из восьми узлов физически связан со всеми другими, исследователи создали сеть с центральным источником, отправляющим запутанные фотоны к восьми узлам, которые назвали Алиса, Боб, Хлоя, Дейв, Фен, Гоп, Хайди и Иван. Каждый узел подключается к источнику только через один оптоволоконный канал, что составляет в общей сложности восемь каналов - намного меньше, чем 28, которые потребовались бы для традиционного QKD без доверенных узлов.

Таким образом, даже несмотря на то что узлы физически не связаны, протокол, разработанный исследователями, устанавливает виртуальную связь между каждой парой из них с помощью магии квантовой запутанности, так что каждая пара может создать закрытый ключ.

Центральный источник имеет так называемый нелинейный кристалл, который испускает пару фотонов. Эти фотоны имеют длину волны с центром примерно 1550 нанометров, плюс-минус несколько десятков нанометров. Если бы кто-то должен найти один из фотонов, скажем, с длиной волны 1560 нанометров, закон сохранения энергии диктует, что его партнер будет иметь длину волны 1540 нанометров. Одна такая узкая длина волны - это канал. Центральный источник разделяет длину волны исходной пары на 16 каналов, по восемь с каждой стороны и на равном расстоянии от 1550 нанометров. Таким образом, создается восемь пар каналов, пронумерованных от 1 до 8 с одной стороны и от -1 до -8 с другой.

Затем эти каналы объединяются или мультиплексируются в одном оптическом волокне и отправляются каждому узлу. Каждый узел получает различную комбинацию каналов. Например, Алиса получила каналы 2, 6, 7 и 8; Дэйв получает –6, -4, -3 и 1; и Гопи -8, 5, 4 и -2. Длины волн выбираются таким образом, чтобы любые два узла всегда имели как минимум одну пару каналов, в которых могли быть запутанные фотоны. В приведенной выше схеме Алиса и Дэйв совместно используют каналы 6 и -6; Алиса и Гопи используют каналы 2 и -2, 8 и -8; а Дэйв и Гопи -4 и 4.

Будущее квантового интернета

Добавить новый узел просто: просто подключите его к центральному источнику, которому нужно только изменить свою схему разделения и мультиплексирования каналов. «Алисе не нужно ничего менять при трансформации сети», - говорит Джоши.

Кроме того, необходимое дополнительное оборудование линейно масштабируется с увеличением количества узлов - это значительное улучшение по сравнению с более ранними технологиями. Любая пара узлов может установить безопасное соединение для создания нерушимого квантового ключа, который удастся использовать для кодирования и декодирования сообщений.

Будущие крупномасштабные квантовые сети должны будут решить по крайней мере две основные проблемы: во-первых, они должны соединять произвольно большое количество пользователей. Во-вторых, такие сети должны охватывать огромные внутриконтинентальные и межконтинентальные расстояния - что требует использования либо квантовых повторителей для расширения диапазона, в котором можно распределять квантовые состояния, либо спутников для передачи кубитов или запутанных частиц в узлы на земле.

Команда Джоши признает, что эта работа еще не решила проблему расстояний, превышающих размер небольшого города. Чтобы увеличить радиус действия, исследователи думают об использовании спутников для переноса их центрального источника запутанных фотонов. «Мы работаем над совместимостью такого исходного пространства, - говорит Джоши. - И ученые рассчитывают сделать сделать его достаточно надежным».