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
Куда делась атомная бомба Гитлера? Физики увидели то, что упустили историки
Ученые подчеркивают: многие из громких мифов 1940-е годов, скорее всего, не выдержат проверки реальными фактами...
Поделили Москву на «зоны влияния»: генетики рассказали, как живут крысиные «народы» столицы
Почему московские грызуны оказались «неуязвимыми мутантами» и зачем им реки для жизни?...
Самая известная мумия Южной Америки снова «заговорила»: последние ее месяцы были очень мрачными
Археологи говорят: именно на этой жестокой практике держалась вся империя инков...
В морском льду Антарктиды протаяла дыра площадью с Португалию. Теперь ученые знают, почему
Эксперты говорят: сбой ледового ритма опасен для Мирового океана и планеты в целом...
Что будет с Азовским морем? Российские ученые просчитали четыре варианта развития событий
Исследователи объяснили, почему при любом раскладе море не будет прежним. Но каким тогда?...
За 320 миллионов лет Земля как минимум 4 раза опрокидывалась набок
Поразительное, но такое заваливание идет прямо сейчас. И геологи рассказали, как и почему это происходит...
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...
Он помогал нести крест Христу: надпись на саркофаге проливает свет на библейского персонажа
2000-летний гроб был найден еще 1941 году, но ученые до сих пор не пришли к какому-то общему мнению. Почему?...
40 000-летний подводный город нашли в Турции: почему официальная наука против такой даты?
Интересно, что древний объект находится недалеко от горы Арарат, где прямо сейчас ищут легендарный Ноев ковчег...
Раскрыта 217-летняя тайна: искусственный интеллект взломал зашифрованное письмо Наполеона
Нейросети последних лет — это реальный прорыв: только за несколько недель было вскрыто более 30 безнадежных шифров...
Что случится с Сибирью к 2080 году: прогноз красноярских ученых и эксперта NASA
Арбузы вместо мерзлоты, большая ложка дегтя и открытый финал — в одном из самых обстоятельных исследований о будущем России...
Кита лечили тем, от чего обычно умирают: этот эксперимент изменил медицину
Одиннадцатилетняя белуха угасала от неизлечимой болезни, и тогда ученые пошли на рискованные опыты...
Искусственная гравитация: ученые рассказали, появится ли вообще главная фишка из фантастических фильмов в космосе
Космические инженеры знают три способа обмануть невесомость. Но пока рабочий из них только один, да и то есть нюансы...
Аура цвета индиго: как появился этот феномен и кем в итоге стали уникальные дети
Их называли будущим человечества, но чуда не случилось. Разбираемся, почему так произошло...