Схема експериментальної установки з передачі квантового сигналу з технологією двосмугової стабілізації (опорні лазерні сигнали.
Інженери Кембриджської дослідницької лабораторії компанії Toshiba провели першу демонстрацію передачі сигналу квантового зв'язку по оптоволоконній лінії довжиною понад 600 кілометрів з використанням нового протоколу придушення перешкод. Він дозволяє реалізувати безпечну передачу ключів шифрування по квантових лініях зв'язку на великі відстані і в майбутньому може стати однією з ланок «квантового інтернету».
Поняття «квантового інтернету» передбачає глобальну мережу квантових комп'ютерів, об'єднаних за допомогою квантових ліній зв'язку через великі відстані. Від такої мережі очікується надвисока швидкість для завдань оптимізації в хмарних сховищах, високоточна глобальна система синхронізації, а також підвищена надійність передачі конфіденційних даних. До практичної реалізації «квантової всесвітньої павутини» поки далеко, але сьогодні анонсовані кілька великих урядових проектів (зокрема, в США, ЄС і Китаї), спрямованих на дослідження квантового інтернету.
Одне з найбільш складних технологічних завдань при побудові «квантового інтернету» - передача квантових бітів інформації по оптоволоконних кабелях на великі відстані. Невеликі зміни параметрів середовища, наприклад, коливання температури, призводять до зміни геометрії кабелю (подовження або стиснення його ділянок), відповідно руйнуючи кубіти, які кодуються у вигляді фазових зрушень оптичних імпульсів в оптоволокні.
Компанія Toshiba продемонструвала квантову лінію зв'язку рекордної довжини, реалізовану з використанням нещодавно запропонованої «двосмугової» (Dual Band) технології стабілізації сигналу. Вона передбачає посилку двох опорних оптичних сигналів на різних довжинах хвиль для зменшення фазових флуктуацій на оптоволоконному каналі великої довжини. Сигнал на одній довжині хвилі використовується для знищення «швидких» флуктуацій. Другий опорний сигнал з такою ж довжиною хвилі, яка використовується для передачі власне інформації (квантових кубітів) допомагає досягти тонкої підбудови фази. В результаті впровадження цієї технології інженерам Toshiba вдалося зафіксувати оптичну фазу квантового сигналу з точністю до декількох десятків нанометрів на оптоволоконних лініях довжиною в сотні кілометрів. Без такої або аналогічної технології усунення флуктуацій в реальному часі квантова інформація на лініях такої довжини безповоротно втрачається через те, що при найменшій зміні температури ділянки лінії подовжуються або вкорачуються на довжини, значно більші, ніж довжина хвилі сигналу, відповідно втрачається інформація про його фазу (в експериментах використовувався лазер з довжиною хвилі близько 1500 нм, відповідної ближньої інфрачервоної області).
Першим застосуванням технології двосмугової стабілізації стала передача квантових ключів (QKD, Quantum Key Distribution) на великі відстані. Комерційні системи QKD сьогодні обмежені відстанями 100 - 200 км для оптоволоконних ліній. У 2018 році Toshiba запропонувала протокол Twin Field QKD, що дозволяє збільшити відстань передачі ключа, і відтоді проводила експерименти з дослідження його стійкості до втрат сигналу в оптоволокні на різних відстанях. Коротко, технологія Twin Field передбачає, що сигнали генеруються на боці кожного користувача лінії (як прийнято в теорії ліній зв'язку, їх позначають Alice і Bob) і потім потрапляють на проміжну «вимірювальну станцію» на шляху між ними (традиційне позначення такого «третього користувача» Charlie) - замість схем, при яких пари імпульсів посилає одна зі сторін і в яких часто для збільшення дальності в якості вузла (вузлів) Charlie використовуються квантові повторювачі. Фактично мова йде про модифікацію повторювача, який приймає і порівнює одночасні сигнали від двох користувачів, звідси найменування Twin Field. Використання двосмугової стабілізації в перший раз дозволило реалізувати протокол TF QKD з квантовою передачею ключа на лінії довжиною більше 600 км. Результати експерименту опубліковані в червні 2021 року в Nature Photonics.Схеми квантового поширення ключів шифрування (QKD). Внизу - схема нового протоколу Twin Field QKD, при якій два зустрічних сигнали генеруються на двох сторонах лінії (Alice і Bob) і передаються на проміжну станцію (Charlie). З: Nature 557, 400 (2018).
Технологія квантової передачі ключа дозволяє користувачам обмінюватися конфіденційною інформацією по незахищених каналах зв'язку, зокрема, через інтернет. Вона полягає в передачі користувачам на обох сторонах лінії секретного «ключа» для розкодування повідомлення. Безпека передачі ключа спирається на фундаментальні властивості квантових систем (фотонів), які використовуються для генерації і передачі ключа. Якщо в лінію передачі інформації вклинюється сторонній користувач («зломщик») і отримує доступ до сигналу, прослуховування миттєво виявляється в силу законів квантової фізики. Це відбувається завдяки тому, що поведінка квантової системи залежить від наявності спостерігача, який «змінює» її властивості (звідси витікає безліч контринтуїтивних тверджень, включаючи відомий квантовий парадокс з «котом Шредінгера». Докладніше про це можна дізнатися з цієї статті).
На відміну від інших використовуваних сьогодні способів забезпечення безпеки, методи квантової криптографії спираються тільки на закони квантової механіки, і безпека таких протоколів (принаймні теоретично) не залежить від того, наскільки в майбутньому розвинуться обчислювальні технології і математичні алгоритми для злому ключів, навіть з урахуванням передбачуваної масової появи квантових комп'ютерів. Тому технології «квантової передачі ключів», або QKD, ймовірно, стануть істотним інструментом для забезпечення безпечної передачі критичної інформації в майбутніх лініях зв'язку. Надденна квантова лінія зв'язку - Toshiba Corporation.