Квантовая связь представляет для многих особый интерес в силу того, что она позволяет получить непроницаемую компьютерную сеть.
И в этом плане весьма примечательным стал факт развертывания в Китае под руководством учёных из национального Университета науки и технологий первой в мире и самой совершенной на сегодняшний день квантовой сети связи масштабом с целый город. Общая протяжённость сети достигает 4600 км. Это самая передовая на сегодняшний день полностью рабочая сеть из более чем 700 оптических сегментов и двух станций космической связи с передачей данных по спутниковым каналам. Квантовая сеть, состоящая из трех узлов, подключенных к центральному серверу, позволяет подключать нескольких пользователей, что является большим шагом вперед на пути к сверхбезопасной цифровой сети.
Квантовые коммуникационные сети имеют общие черты со своими традиционными аналогами, в частности, оптоволоконными. Однако в отличие от них считается, что квантовые сети невозможно взломать. Это обеспечивается децентрализованной квантовой запутанностью и способностью узлов сети хранить и обрабатывать информацию. Указанный тип связи основан на квантовом распределении ключей (QKD) с использованием квантовых состояний частиц для образования бинарных цепочек (из 0 и 1), в которых любое нарушение будет немедленно обнаружено.
Последние достижения в области технологии QKD позволяют передавать информацию на значительные расстояния, тем не менее, потеря передачи сохраняется. Квантовые узлы в такой сети могут снизить потери при передаче, и для этого необходима разработка квантовых ретрансляторов, которые бы обеспечивали передачу информации на большие расстояния и преодолевали потери. Другой задачей сегодня является расширение сети.
Исследователи из Китайского университета науки и технологий предлагают преодолеть эти проблемы с помощью своей новой многолучевой квантовой сети, адаптированной для мегаполиса. В отличие от ранее разработанных сетей, их разработка отличается количеством пользователей, которые могут подключаться через свои собственные квантовые процессоры. Подробно вся система описана в документе, опубликованном на сервере arXiv.
Суть предлагаемой Китаем квантовой сети заключается в том, что она состоит из трех квантовых узлов (получивших название Алиса, Боб и Чарли), соединенных с серверным узлом и расположенных в каждой вершине треугольника со сторонами от 7,9 до 12,5 километров, которые работают независимо. Каждый из них имеет отдельный процессор и квантовую память, а сервер расположен в центре и подключается к каждому узлу по оптоволокну, служа как для классической, так и для квантовой связи. Комплекс построен по всему городу Хэфэй площадью 7048 квадратных километров. На каждом из трех квантовых узлов находится холодный рубидиевый атомный узел, управляемый лазером. Выступая в качестве долгоживущей квантовой памяти, он позволяет генерировать атомно-фотонную запутанность.
Каждый пользователь кодирует информацию в виде фотона для отправки на сервер. И если этот фотон будет потерян или поврежден по пути, квантовые узлы (Алиса, Боб и Чарли) все равно смогут сохранить информацию, которую он должен был нести. Это первый случай использования квантовой памяти в сети такого масштаба.
Чтобы уменьшить потери фотонов (и, следовательно, информации) на оптоволоконном уровне, квантовые узлы оснащены модулем квантового преобразования частоты (QFC).
Однако скорость, с которой информация передается по сети Хэфэй, все еще необходимо увеличить, чтобы система могла быть действительно эффективной/ Так как передавая всего около одного бита в секунду, она все еще далека от возможностей наших обычных модемов. Чтобы сеть могла покрывать большее расстояние и поддерживать больше информации и узлов, необходимо также улучшить квантовую память и увеличить время хранения.
Первый успешный эксперимент по передаче данных с земли на спутник по каналу квантовой связи Китай осуществил в 2017 году на базе космического аппарата QUESS — Quantum Experiments at Space Scale. С того времени параметры квантовой сети были значительно улучшены. В частности, китайцам удалось передать распределённые квантовые ключи на расстояние свыше 500 км, в чём помогла новая технология Twin-field QKD (TF-QKD) без использования ретрансляторов. Также по сравнению с предыдущим испытанием был в 40 раз ускорен процесс генерации квантовых ключей для передачи по спутниковым каналам связи до скорости 47,8 Кбит/с.
На пути к реализации будущего квантового интернета безусловной ключевой вехой является переход от экспериментов с проверкой принципа работы двух узлов, проводимых в лабораториях, к комплексным многоузловым установкам в больших масштабах, к дебютной реализации квантовой сети на основе многоузловой запутанности в мегаполисе. И в этом плане заслуживает особого внимания полученный опыт оснащения трех квантовых узлов атомарной квантовой памятью и их телекоммуникационными интерфейсами, объединением их в масштабируемую фазостабилизированную архитектуру с помощью серверного узла. Таким образом учёные из китайского Университета науки и технологий продемонстрировали предсказанную генерацию запутанности между двумя квантовыми узлами, расположенными на расстоянии 12,5 км друг от друга.
Указанная работа является не только испытательным стендом большого масштаба для оценки и изучения многоузловых протоколов квантовой сети, но и начинает новый этап исследований квантового Интернета.
