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.
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.
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
3700-летний вирус, спрятанный в средневековых книгах, только что убил 500 тысяч животных
Сколько еще патогенов дремлет в библиотечных хранилищах Европы и России, точно не скажет ни один ученый...
«Этого не должно происходить»: что ученые нашли в облаках Венеры
Там возможны абсолютно другие, просто невероятные формы жизни. И эксперименты это доказали...
Молилась и убивала: какой диагноз ставят Салтычихе психиатры и психологи?
Ученые говорят: феномен жестокости самой страшной помещицы России разгадан, но......
Супервспышка-1947: тогда Земля избежала триллиона бомб. Но успокоилось ли Солнце?
Астрофизики говорят, что нам очень повезло со звездой. Но шансы на глобальную катастрофу все-таки есть...
Карта 1587 года и Ноев ковчег: почему место совпало с раскопками на Арарате?
Длина «судна», кстати, тоже совпала, и это не может не настораживать...
«Выстрел» прямо в Землю: астрономы обнаружили черную дыру, выбрасывающую струю в сторону нашей планеты
Ученые рассказали, как это поможет разгадать важную космическую тайну...
Поделили Москву на «зоны влияния»: генетики рассказали, как живут крысиные «народы» столицы
Почему московские грызуны оказались «неуязвимыми мутантами» и зачем им реки для жизни?...
Камчатка 1000 лет назад: археологи заглянули в исчезнувший мир из космоса
Предков этих людей изгнало мощное извержение вулкана, но через столетия они вернулись в родные земли...
Жизнь за пределами Земли: что рассказала ученым межзвездная комета 3I/ATLAS?
Объект настолько древний, что его возраст крайне сложно представить. И это не единственная загадка пришельца из глубокого космоса...
Нашли тайную комнату в гробнице Тутанхамона: почему там может быть Нефертити?
Если гипотеза подтвердится, это будет крупнейшее археологическое открытие современной эпохи...
Астрономы поймали сигнал из космоса: пришельцы или помеха?
И почему главная проблема в том, что мы мастерски сами себе мешаем за пределами Земли?...
928 разбросанных костей в Гёбекли-Тепе: спустя 30 лет раскопок тайна древнейшего храма наконец-то раскрыта
Однако археологи признаются: от открытия им проще не стало. Напротив, все еще больше запуталось...
Черная смерть — двигатель прогресса: как эпидемия чумы в корне поменяла ход истории в Европе
Неожиданно: книгопечатание, отмена крепостного права, раскол западного христианства — это лишь немногие последствия пандемии...
Тихий океан стал вести странно: молодая вода быстро стареет, а старая, наоборот, молодеет. В чем причина?
Особенно страдает северная часть океана. Но и есть хорошая новость...
Не хуже Тутанхамона: почему сокровища забытых цариц из Ассирии поразили ученых?
Особенно загадочной оказалось гробница II, причем ее тайна до конца не раскрыта и по сей день...
Таинственные пещерные иероглифы в Мексике раскрывают давно потерянную письменность
Оказалось, что разгадки лучше всего искать не в городах, а на склонах гор в глуши...