Исторические прецеденты стали предметом исследования ПР, а КИ, освоившись в квантовых сетях, подключает орбитальную спутниковую группировку и тестирует квантовую запутанность в космосе.
Созданы десятки систем, узлы которых могут обмениваться данными с квантово-распределенными ключами на расстояниях до 200-300 километров. Но все попытки расширить эти сети до международного и межконтинентального уровня столкнулись с непреодолимыми трудностями, связанными с тем, что свет затухает при движении через оптоволокно.
Идея освоить атмосферу и космос как среду для передачи запутанных фотонов на пути к созданию квантового интернета и глобальному доминированию показалась КИ весьма привлекательной.
Проверка в Обсерватории лазерной дальнометрии
Используя приборы Обсерватории лазерной дальнометрии в Матере (MLRO) итальянские физики из университета Падуи во главе с Паоло Виллорези (Paolo Villoresi) отправили фотоны к спутникам с уголковыми отражателями и поймали их отражёнными на Земле. Фотоны при отправке ввели в четыре разных квантовых состояния, что является необходимым минимумом для генерации ключа шифрования.
Каждый спутник при этом находился прямо над обсерваторией, что позволило сократить расстояние до 2600 километров и уменьшить помехи. Результаты измерений показали, что связь с контрольным спутником дала около 50% помех, как и ожидалось, а связь с остальными была ниже 11%-ного порога ошибок.
Таким образом, подтвердилась возможность квантовой коммуникации между космосом и наземными станциями вне оптического кабеля.
Квантовый спутник Мо-цзы
Спутник под названием QUESS (Quantum Experiments at Space Scale, «Квантовые эксперименты космических масштабов»), запущенный в Китае, получил неофициальное имя «Мо-цзы» (лат. Micius) в честь древнекитайского философа. Аппарат массой более 600 килограммов выведен на солнечно-синхронную орбиту на высоте 500 километров и совершает оборот вокруг Земли за 90 минут.
На космическом аппарате установлен яркий источник запутанных фотонов — кристалл, в котором происходило спонтанное параметрическое рассеяние, превращение одного фотона в два с уменьшенной энергией. Источник формировал около шести миллионов пар запутанных фотонов в секунду. Как телескопы спутника, так и телескопы-приемники требовали высокой точности наведения — «Мо-Цзы» двигался по орбите со скоростью около восьми километров в секунду.
Очевидно, что принять на Земле миллиарды фотонов даже от далекого Солнца – не проблема. Любой может сделать это в солнечный день, просто выйдя из тени. Зарегистрировать же одновременно определенную пару запутанных фотонов со спутника в двух разных лабораториях и измерить их квантовые свойства – исключительно сложная техническая задача. Для ее решения в проекте QUESS использовалась адаптивная оптика. Она постоянно измеряет степень искажений, вызываемых турбулентностью земной атмосферы и компенсирует их. Дополнительно использовались оптические фильтры для отсечения лунного света и городской засветки.
Параметры орбиты выбраны так, чтобы спутник появлялся в одном и том же месте каждую ночь. Наземные станции отслеживают спутник и устанавливают с ним оптические линии связи для приема одиночных запутанных фотонов.
Импульсы посылаются с частотой 100 МГц, но из-за особенностей протокола битрейт составляет всего 574 бит в секунду. Спутник находится в зоне прямой видимости в течение 5.5 минут, поэтому за один пролет можно сгенерировать ключ длиной 120 кбит.
Квантовый спутник связи QUESS обеспечил распределение запутанных фотонов на рекордно большое расстояние в 7,6 тысячи километров между городами Грац в Австрии и Синлун в Китае и впервые передал реальные данные по защищенному каналу.
Ключ между Веной и Пекином генерируется за два прохода: на первом пролете спутник создает ключ 1 с Пекином, на втором – ключ 2 с Веной, после этого шифрует ключ 2 ключом 1 и отсылает результат Пекину. Пекин расшифровывает сообщение, узнает ключ 2 и с его помощью общается с Веной.
Для демонстрации работоспособности этой сети мы передали фото Мо-Цзы из Пекина в Вену и отправили обратно карточку Эрвина Шредингера. "С помощью "Мо-Цзы" нам удалось показать, что мы можем конструировать межконтинентальные квантовые сети, а это открывает дорогу для создания глобального квантового интернета", — пишут Антон Цейлингер, руководитель Академии наук Австрии, и его коллеги.
Число узлов в сети можно произвольным образом наращивать, что позволяет использовать спутники связи, аналогичные "Мо-цзы", для создания первой глобальной квантовой сети.
"Наибольшее значение нашей работы заключается в том, что мы предоставляем эффективную и масштабируемую схему для квантовой связи на больших расстояниях", - рассказал М.Цвергер.
Спутники, аналогичные Micius могут быть использованы как доверенные релейные узлы, через которые можно соединить две практически любые точки на земном шаре и произвести безопасный обмен ключами шифрования между этими двумя точками. А на базе нескольких таких узлов уже можно будет построить эффективную глобальную квантовую сеть, которая может стать основой будущего квантового Интернета и распространение КИ в среде, неподконтрольной ПР.