Космический квантовый источник обеспечит безопасную коммуникацию

Вскоре мощные квантовые компьютеры смогут легко взламывать традиционные математические шифры. Запутанные фотоны, произведенные космическим квантовым источником, предоставят неподдающийся взлому обмен ключами для высокоуровневых приложений. Исследовательская команда из Общества Фраунгофера разработала высокопроизводительный квантовый источник, достаточно мощный для размещения в космосе. Через четыре года они планируют запустить первый европейский квантовый спутник.

Позолоченное, футуристического вида устройство размером не больше хлебницы прошло различные испытания, включая резкие изменения температуры от -40°C до 60°C, подвергание холоду и жару в вакууме, а также «родео» на трехосевой вибрационной платформе. В ходе этого изнурительного процесса устройство должно было продемонстрировать непоколебимую прочность и высокую производительность. Когда этот квантовый источник прошел свои последние стресс-тесты, проведенные в соответствии со строгими стандартами Европейского космического агентства, его посчитали пригодным для использования в космосе.

Исследователи из Института прикладной оптики и точной механики им. Фраунгофера в Йене (IOF) стали первыми, кто сумел разработать высокостабильный и мощный квантовый источник. Он может генерировать 300 тысяч пар запутанных фотонов в секунду, когда свет лазерного луча попадает в нелинейный кристалл. Эти сдвоенные частицы света надежно шифруют чувствительные сообщения. Вот как это работает: поляризация двух фотонов остается запутанной — взаимосвязанной — вне зависимости от того, насколько далеко они находятся друг от друга. Это позволяет двум сообщающимся сторонам производить ключи, делиться ими и моментально замечать, если третья сторона пытается перехватить их сообщения. Если неавторизованная сторона пытается получить доступ к сообщению, два фотона распутываются, что является сигналом о попытке взлома.

Зачем же квантовому источнику быть в космосе? Запутанные фотоны могут также перемещаться по оптоволоконным кабелям. Однако дальность передачи в таком случае сильно сокращается и, более того, препятствует важному процессу фотонной запутанности. Куда лучше прикрепить квантовый источник к спутнику и отправить на низкую околоземную орбиту, откуда он сможет передавать сдвоенные частицы света на планету с высоты 400 километров с минимальными помехами.

«Стабильность квантового источника и производительность представляли самые большие проблемы, так как во время прохождения через земную атмосферу степень потери все еще высока. Именно поэтому так важно генерировать как можно большее количество сдвоенных фотонов для максимизации числа фотонов, которые достигнут стороны, сообщающиеся на Земле, — объясняет руководитель проекта доктор Оливер де Врис из IOF. — Мы оптимизировали стабильность квантового источника при помощи умного дизайна, эффективного неорганического процесса склеивания и крепких материалов, не испытывающих значительного расширения при изменении температур».