Китайские ученые впервые в мире реализовали протокол защищенной квантовой связи с элементами квантовой памяти.
©Wikipedia
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.
