Установлен новый рекорд в квантовой криптографии

Квантовая криптография — область науки, которая занимается созданием абсолютно неподдающихся взлому шифров с помощью законов квантовой механики. Один из способов обеспечить такую защиту — квантовое распределение ключей (QKD), когда два легитимных пользователя (Алиса и Боб) обмениваются случайными последовательностями битов (ключами), которые они используют для шифрования и дешифрования своих сообщений. При этом любая попытка подслушать или подменить ключи третьей стороной (Евой) будет неизбежно нарушать квантовые состояния и вызывать ошибки в ключах, которые можно обнаружить и исправить.


Однако QKD сталкивается с серьезными техническими проблемами, которые ограничивают его практическое применение. Одна из них — потеря сигнала в оптическом волокне или воздухе, которая резко снижает дальность и скорость передачи ключей. Другая — необходимость синхронизации источников квантовых состояний у Алисы и Боба, которая требует высокой точности и стабильности оборудования.

Для решения этих проблем ученые разработали различные протоколы QKD, которые определяют правила генерации, измерения и обработки квантовых состояний для получения ключей. Один из самых перспективных протоколов — протокол полей-близнецов (Twin Field), который был предложен в 2018 году группой физиков из Китая и Сингапура. Этот протокол позволяет увеличить дальность и скорость QKD без использования усилителей сигнала, которые могут быть подвержены атакам Евы.



Принцип работы протокола полей-близнецов заключается в следующем: Алиса и Боб посылают на центральный недоверенный узел (Чарли) слабые лазерные импульсы с разными фазами, которые Чарли измеряет с помощью интерферометра. При этом Чарли не знает фазы импульсов, а только их сумму, поэтому он не может получить информацию о ключах. Однако, если фазы импульсов Алисы и Боба совпадают, то Чарли может определить это по результату измерения и объявить это Алисе и Бобу. Тогда Алиса и Боб могут использовать эти совпадения для генерации ключей. При этом расстояние между Алисой и Бобом считается от Чарли до каждого из них, а не от Алисы до Боба, что позволяет удвоить дальность QKD.

Однако протокол полей-близнецов также имеет свои сложности. Во-первых, на больших расстояниях в волокне фаза оптического сигнала может меняться и уплывать из-за тепловых шумов и вибраций, что приводит к ошибкам в ключах. Во-вторых, оба источника — Алиса и Боб — должны излучать сигнал на одинаковых частотах, то есть быть синхронизированы, что требует высокой точности и стабильности оборудования.

Группа ученых из Академии наук Китая под руководством Чжэн-Фу Хань (Zheng-Fu Han) смогла преодолеть эти проблемы и продемонстрировать QKD по протоколу полей-близнецов на рекордном расстоянии 1002 км. Их работа была опубликована в журнале Physical Review Letters. Для достижения этого результата они использовали специальные методы компенсации фазы и частоты сигнала, а также оптимизировали параметры лазерных импульсов и интерферометра. Таким образом, они смогли увеличить скорость генерации ключей в 10 раз по сравнению с предыдущими экспериментами по этому протоколу.

Это открытие является важным шагом в развитии квантовой криптографии, которая может обеспечить абсолютную безопасность передачи данных в различных областях, таких как банковское дело, медицина, оборона и другие. Кроме того, это открытие способствует созданию глобальной квантовой коммуникационной сети, которая может соединять разные континенты и страны с помощью спутников и наземных станций.