Китай продемонстрировал дальнейшие успехи в развитии безопасной связи с использованием метода квантового распределения ключей. Используя спутник Micius, работающий с 2016 года, можно было распределить квантовый ключ между наземными станциями, расположенными на расстоянии более 1100 км друг от друга. Коммуникация осуществлялась в 4 раза эффективнее, чем в первом тесте, описанном в 2017 году.
В обществе строго обмена информацией безопасная передача данных имеет большое значение. В настоящее время для шифрования передаваемой информации используются традиционные протоколы распределения ключей шифрования, основанные на вычислительной сложности математических функций. Этот метод означает, что даже при подслушивании информации у перехватчика нет практической возможности ее прочитать из-за высокой вычислительной сложности этой задачи. Обменивающиеся стороны не знают, было ли их сообщение подслушано, но они знают, что декодировать такое сообщение с использованием традиционных компьютерных технологий будет непрактично.
Растущие возможности традиционных компьютеров и, прежде всего, угроза разработки достаточно продвинутых квантовых компьютеров, угрожают текущим безопасным протоколам связи. Вот почему так воодушевляет использование законов квантовой механики в общении.
Спутник Micius, запущенный Китаем в 2016 году, уже несколько лет демонстрирует метод квантового распределения ключей с использованием квантовой запутанности. Уже в 2017 году на страницах журнала Science ученые высоко оценили достигнутую передачу запутанных фотонов на станции Делинха и Лицзянь, расположенные на расстоянии 1200 км друг от друга. Хотя тогда это достижение было прорывом, эффективность передачи была слишком низкой для практического использования.
Инь и его коллеги улучшили связь, установив более совершенные телескопы на наземных станциях и оптимизировав работу коммуникационного оборудования на каждом этапе пути пучка фотонов. В результате удалось достичь в 4 раза большей эффективности и достаточно низкого уровня ошибок, чтобы взаимодействующие стороны могли прочитать ключ шифрования, отправленный спутником.
Эпизод программы Astronarium по квантовой связи.
В случае квантового распределения ключей также важно обеспечить адекватную безопасность принимающих станций. Для внутренней работы станции необходимо сделать определенные допущения. Китайская команда применила две меры предосторожности, чтобы минимизировать риск нарушения этих предположений: систематический подход к выявлению недостатков системы, которые могут вызвать утечку информации, и активное управление свойствами фотонов, несущих информацию, различными способами.
Для усовершенствованного эксперимента использовались две наземные станции в Наньшане и Делингха, которые находятся на расстоянии 1120 км друг от друга. На обоих площадках были построены новые телескопы, предназначенные только для экспериментов с распределением запутанных пар фотонов. Оба телескопа имеют диаметр 1,2 м.
Спутник Micius с массой 23,8 кг, генерирующий запутанные пары фотонов с длиной волны 810 нм, способен отправлять почти 6 миллионов пар в секунду. Спутник вращается вокруг Земли по гелиосинхронной орбите и появляется в поле зрения обеих принимающих станций каждый день около 2 часов ночи по пекинскому времени. Приемные станции фильтруют свет, оставляя только его в рамках эксперимента. Системы наземного базирования способны отслеживать спутник с точностью до 0,4 мкрад. Синхронизация времени достигается с помощью лазерного маяка, установленного на спутнике. Точность синхронизации составляет 0,77 нс (1 стандартное отклонение).
В усовершенствованном эксперименте прием запутанных фотонов получен на уровне 2,2 Гц. Отношение сигнал / шум составляло 15: 1. В результате квантовая ошибка составила 4,5% (по сравнению с 8,1% в предыдущем эксперименте).
Квантовое распределение ключей с использованием спутника Micius - пока что самый продвинутый эксперимент такого рода в мире. Однако для практического применения такой коммуникации еще предстоит преодолеть множество проблем. Полученная ключевая пропускная способность пока составляет всего 0,12 бит / с. Кроме того, эксперимент можно было проводить только ночью с использованием довольно короткой волны света, несовместимой с существующими наземными оптоволоконными сетями.
Кроме того, технология устройств, безопасно распространяющих сигнал на Земле (ретрансляторы), все еще остается незрелой. Таким образом, продемонстрированная связь применима только к земным станциям, которые одновременно видны спутнику, передающему ключ.
