Физики развернули систему в реальном мегаполисе и решили главную проблему, тормозившую создание квантового интернета.
Китайские физики сделали важнейший шаг на пути к созданию защищенного квантового интернета будущего. Внедрение технологии, получившей название Xinghan-2, позволило связать квантовые объекты на рекордном расстоянии и решить главную проблему квантовой связи — одновременное обеспечение высокой скорости и точности передачи данных.
Результаты масштабного эксперимента исследователей из Научно-технического университета Китая были опубликованы в журнале Nature Photonics.
Слабое место квантового шифрования
Главная проблема квантовых сетей на больших расстояниях — неизбежная потеря сигнала в оптическом волокне. Чтобы решить ее, ученые используют квантовые ретрансляторы, которые делят длинные каналы связи на более короткие сегменты.
До сих пор физикам приходилось идти на компромисс: либо выбирать высокую скорость интерференции одиночных фотонов, либо высокую точность двухфотонной интерференции. Объединить эти параметры не удавалось.
В квантовой физике есть фундаментальная проблема: как передать информацию на большое расстояние, если передатчик и приемник работают с отдельными фотонами (частицами света)?
Обычный интернет использует лазерные импульсы. Если по пути в оптоволокне часть света теряется, специальный усилитель просто делает сигнал громче. В квантовом интернете так сделать нельзя: закон физики (теорема о запрете клонирования) запрещает копировать или усиливать квантовое состояние. Если фотон потерялся по дороге — информация исчезла навсегда.
Чтобы решить эту проблему, ученые придумали квантовые ретрансляторы (реле), а китайская система Xinghan-2 довела эту технологию до совершенства. Вот как это работает.
Вместо того чтобы пытаться отправить фотон сразу на много километров, ученые делят это расстояние на короткие отрезки (сегменты). На концах этих отрезков находятся атомы, которые нужно «запутать» между собой. Квантовая запутанность — это загадочная связь, при которой два объекта (в данном случае группы атомов) мгновенно чувствуют изменения друг друга, на каком бы расстоянии они ни находились.
Чтобы связать эти отрезки в одну большую сеть, фотоны от разных атомов должны прилететь на промежуточную станцию абсолютно одновременно, с точностью до миллиардных долей секунды, и там провзаимодействовать (это называется интерференцией).
В реальном городе это почти невозможно: где-то кабель немного нагрелся на солнце и удлинился, где-то пошла вибрация, например, от метро. Из-за этого один фотон всегда прилетает чуть раньше, а второй — чуть позже. «Свидание» сорвано, связь не установилась.
До сих пор физикам приходилось жертвовать либо скоростью передачи (подолгу дожидаясь идеального совпадения фотонов), либо точностью данных.
Новая технология
Команда под руководством Ли Чуаньфэна и Чжоу Цзунцюаня разработала принципиально новый протокол временных измерений. Он позволяет фотонам прибывать на промежуточные станции в разное время. Используя многомодовую квантовую память, система способна сохранять и извлекать эти фотоны по требованию, полностью избавив сеть от необходимости их одновременного прибытия.
По сути, ученые из КНР создали квантовый «зал ожидания». Они разработали многомодовую квантовую память и особый временной протокол.
Теперь фотонам больше не нужно прибывать на промежуточную станцию одновременно. Первый фотон прилетает раньше? Станция ловит его и «замораживает» в специальной квантовой памяти. Система ждет, пока по городскому кабелю доберется второй фотон. Как только второй фотон прибывает, память по требованию «выпускает» первый фотон, и они благополучно соединяются.
Почему это прорыв?
- Скорость выросла в 100 раз: Поскольку системе больше не нужно сбрасывать «опоздавшие» фотоны и начинать все сначала, полезный сигнал формируется в 100 раз быстрее, чем во всех предыдущих аналогичных проектах.
- Это работает в городе: Уникальность эксперимента заключается в том, что физики вышли за рамки стерильных лабораторных условий и развернули систему на базе уже существующей городской инфраструктуры волоконно-оптической связи. Эксперимент провели не в изолированной лаборатории, а на обычных оптоволоконных кабелях под улицами города, показав высокую точность (фиделити) сигнала в 78,6%.
- Дистанция: достигнуто устойчивое запутывание между материальными квантовыми объектами на расстоянии 14,5 километра. На сегодняшний день, как утверждают авторы, это самый протяженный показатель в мире.
Выдающаяся точность
Фиделити (от английского fidelity — верность, точность) — это показатель того, насколько чистым и неискаженным долетело квантовое состояние из точки А в точку Б.
В квантовой физике информацию нельзя передавать обычными битами (нолями и единицами). Она передается в виде кубитов — тонких квантовых состояний фотона (например, под каким углом он закручен или поляризован).
Пока фотон летит по городскому кабелю, он сталкивается с множеством помех: кабель дрожит от проезжающих машин, гнется, меняет температуру. Из-за этого квантовое состояние фотона начинает «размываться» и искажаться.
В квантовом мире фиделити измеряется от 0 до 100% (или от 0 до 1).
- 100% — идеальное совпадение, квантовое состояние долетело вообще без искажений. В реальности на больших расстояниях это недостижимо.
- 50% — это уровень абсолютного хаоса и случайного шума (как если бы вы просто угадывали информацию, подбрасывая монетку). Такая связь полностью бесполезна.
Для работы квантового интернета существует критический порог фиделити (обычно около 65–70%). Если точность сигнала падает ниже этого уровня, квантовые компьютеры на концах провода просто не смогут исправить ошибки, и связь оборвется.
Китайские физики смогли добиться показателя 78,6% на дистанции в 14,5 км. Это значит, что несмотря на колоссальную скорость (которая выросла в 100 раз) и все городские помехи, сигнал долетает настолько чистым, что его можно без проблем использовать для передачи секретных данных.
По словам руководителя проекта Ли Чуаньфэна, разработка знаменует долгожданный переход квантовых технологий от фазы лабораторных концептов к реальному практическому применению в масштабах современных мегаполисов.
Зачем нужно квантовое шифрование
Китайские физики создали эффективный «перевалочный пункт» для квантовых частиц. Это позволяет строить квантовые сети большой протяженности, которые принципиально невозможно взломать или прослушать извне. Квантовую связь невозможно перехватить незаметно из-за фундаментальных законов Вселенной, а именно — из-за квантовой суперпозиции и эффекта наблюдателя.
В обычном интернете хакер может тайно подключиться к кабелю, скопировать бегущий по нему световой импульс и прочитать ваши данные. Вы об этом даже не узнаете. В квантовом мире этот трюк физически невозможен.
1. Квантовое состояние нельзя скопировать
В квантовой физике существует «теорема о запрете клонирования». Перехватчик (в криптографии его принято называть Евой) не может создать точную копию летящего фотона, чтобы оставить один себе для анализа, а второй отправить дальше вам. Физика запрещает дублировать неизвестное квантовое состояние.
2. Любая попытка «подглядеть» меняет реальность
Пока фотон летит по кабелю, информация в нем находится в состоянии суперпозиции — условно говоря, он одновременно является и нулем, и единицей (как вращающаяся монетка, пока она не упала на стол). Чтобы хакеру прочитать информацию, ему нужно измерить фотон (поймать «монетку»). Но в момент измерения квантовое состояние мгновенно разрушается. Фотон безвозвратно меняет свои свойства. Если Ева (хакер) попытается перехватить его, от первого же прикосновения от изменится. Связь оборвется, а вы и ваш друг мгновенно узнаете о попытке взлома.
Квантовую связь защищают не сложные математические пароли, которые рано или поздно можно взломать на мощном компьютере, а сами законы природы. Чтобы взломать квантовый интернет, хакеру придется отменить законы физики.