Китайские физики впервые наладили спутниковую квантовую связь

Физики из Китайской академии наук впервые реализовали протоколы квантовой криптографии между спутником и Землей, передав с его помощью на расстояние 1200 километров свыше 300 килобайт секретного ключа за время работы спутника. Ранее такие протоколы удавалось реализовать лишь на наземных системах и системах земля-самолет.
Особенность протоколов квантовой криптографии в принципиальной невозможности «подслушать» секретный код, связанной с законами квантовой механики. Работа китайских ученых — первый возможный шаг к глобальной квантовой сети.

Протоколы квантовой криптографии предназначены не для непосредственной шифровки сообщений, а для создания секретного ключа шифрования между отправителем и получателем. Они организованы следующим образом. Отправитель создает одиночные фотоны в случайном состоянии, кодирующем либо ноль, либо единицу в случайно выбираемом методе измерения. Например, вертикальная и горизонтальная поляризация кодируют «ноль» и «единицу» в одном методе измерения, а две диагональных поляризации отвечают «нулю» и «единице» в другом методе измерения. Затем получатель случайным образом выбирает способ измерения состояния фотона. Лишь если способ приготовления и измерения фотона совпадают, отправитель и получатель записывают полученный бит в секретный ключ шифрования.

Использование одиночных фотонов или других объектов квантового мира делает невозможным перехват секретного кода. Это связано с невозможностью точного клонирования квантовых состояний, а также с изменениями состояния частиц при измерении: невозможно измерить поляризацию одиночного фотона не изменив ее. Такие акты вмешательства приводят к увеличению числа ошибок на квантовой линии связи, что легко фиксируют отправитель и получатель.

Вместе с тем одиночные фотоны сложно передавать — они легко теряются в «шумных» средах, сильно увеличивая количество ошибок при генерации ключа и тормозя этот процесс. Поэтому реализация квантовой связи на больших расстояниях затруднена — как оптоволокно, так и воздух, сильно рассеивают фотоны. В то же время, в разреженной среде верхних слоев атмосферы и в космосе потери фотонов минимальны, поэтому реализация квантового распределения ключа через спутники будет более эффективным решением.

Именно это удалось продемонстрировать китайским физикам с помощью спутника квантовой связи QUESS (или Micius, «Мо-Цзы»). Ученые реализовали квантовое распределение ключа между спутником и обсерваторией в Синлуне (неподалеку от Пекина). Расстояние между аппаратом и обсерваторией при этом колебалось от 650 до 1200 километров — «Мо Цзы» ежедневно пролетал над Синлуном примерно в полночь. Средняя длительность сеанса связи при этом не превышала пяти минут.

Всего ученым удалось передать около 3,5 миллионов фотонов со спутника к обсерватории за несколько месяцев работы, просеянный ключ имел длину около полутора мегабит. После процедуры коррекции ошибок в ключе и усиления секретности исследователи получили секретный ключ длиной около 300 килобит. Вероятность ошибки в нем не превышает одного ошибочного бита в гигабите. Скорость создания секретного ключа китайские физики оценивают в 1,1 килобита в секунду.

Китайские физики впервые наладили спутниковую квантовую связь

Другие материалы по теме

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *