Квантовая память впервые защитила квантовую связь

Несмотря на высокую уязвимость, классические протоколы передачи данных могут обеспечивать стойкую защиту канала связи. Например, исключить возможность взлома позволяют блокнотные шифры. Метод предполагает обмен сообщениями, к каждому биту которых добавляется случайный, но известный обоим агентам, набор единиц и нулей. Если каждый бит из этого блокнота используется только однажды, расшифровать сообщение без знания последовательности невозможно. При этом блокноты передаются до создания канала связи — обезопасить этот этап помогает квантовое распределение ключей. Эта техника заключается в доставке информации путем произвольного принципа записи в фотон со случайным состоянием.

В соответствии с законами квантовой механики, попытка измерить такой фотон приведет к его необратимому изменению, что станет известно получателю. В качестве альтернативы квантовому распределению ключей выступает протокол прямой защищенной квантовой связи (quantum secure direct communication, QSDC). В его основе лежит феномен квантовой запутанности: в сочетании с некоторым объемом классических данных реализация QSDC предусматривает передачу частиц, которые способны мгновенно и конгруэнтно менять свои физические свойства, например поляризацию, без физического взаимодействия. Однако этот метод требует обмен также классическими данными со скоростью света.

В новой работе специалисты из Научно-технического университета Китая и Нанкинского университета почты и телекоммуникаций впервые экспериментально осуществили QSDC. На первом этапе адресант (Алиса) генерирует пары запутанных частиц и отправляет по одной из каждой адресату (Бобу). После проверки канала связи на защищенность Алиса проводит измерения оставшихся частиц и передает Бобу полученную информацию. Поскольку непосредственно отправлению сообщения предшествует проверка канала связи, авторы включили в алгоритм модуль памяти, в качестве которого выступили охлажденные атомы рубидия. В них данные хранились во время проверки на протяжении сотен наносекунд.

Для охлаждения атомы рубидия захватывались в магнито-оптические ловушки, которыми обладали и Алиса, и Боб. Квантовая запутанность между ними создавалась следующим образом. Сперва фотон запутывался с атомами ловушки адресанта, а после передачи эффект распространялся на оба устройства. По словам ученых, представленный алгоритм не полностью отвечает требованиям QSDC о запутанных фотонах. Однако экспериментально выполнить протокол с дешифровкой запутанных частиц оказалось значительно сложнее. В то же время авторы воспроизвели основные этапы QSDC: генерирование запутанных пар, хранение частиц, шифрование и дешифрование. Точность системы составила 90 процентов.

Подробности исследования представлены в журнале Physical Review Letters.

Первую «городскую» линию квантовой связи в России запустили в 2016 году. В январе этого года Китай ввел в эксплуатацию первый в мире квантовый спутник.