Квантовые коммуникации быстро продвигаются к созданию практических крупномасштабных сетей, основанных на квантовом распределении ключей, которое является инициатором этого процесса. Системы квантового распределения ключей обычно включают в себя отправителя "Алису" и получателя "Боба", которые генерируют общий секрет на основе квантовых измерений для обеспечения безопасности связи. Хотя системы на основе оптоволокна хорошо подходят для использования в масштабах мегаполиса, подходящая оптоволоконная инфраструктура может существовать не всегда.
В новом докладе, опубликованном в журнале npj Quantum Information, Андрей Кржич и группа учёных разработали квантовую сеть свободного пространства, основанную на запутывании. Эта платформа представляет собой практичную и эффективную альтернативу для применения в мегаполисах. Команда представила систему распределения квантовых ключей в свободном пространстве, чтобы продемонстрировать её использование в реальных приложениях в преддверии работ по созданию сетей в свободном пространстве в качестве жизнеспособного решения для городских приложений в будущем глобальном квантовом Интернете.
Квантовая коммуникационная сеть
Квантовая связь обычно направлена на распространение квантовой информации между двумя или более сторонами. Ряд революционных применений квантовых сетей позволил наметить путь к созданию полноценного квантового Интернета. Предлагаемое изобретение представляет собой гетерогенную сеть, состоящую из подсетей специального назначения с различными связями и интерконнектами. Концепция сетей квантового распределения ключей послужила основой для разработки других распределённых методов обработки квантовой информации, что позволит оценить технологическую зрелость квантовых сетей в целом.
В этой работе Кржич и его коллеги описали архитектуру городской сети свободного пространства для обеспечения безопасности связи на саммитах, конференциях и других мероприятиях, причём в отсутствие сквозного оптоволоконного соединения она может дополнить уже существующую сетевую инфраструктуру. Квантовые физики построили архитектуру на основе центрального сервера запутывания, который передаёт запутанные фотоны пользователям сети.
Они создали ключевые элементы этой архитектуры, включая портативный, хорошо видимый источник путаных фотонных пар, подходящий для применения в мегаполисах, со специальной фильтрацией для работы в дневное время. Физики провели эксперименты по квантовому распределению ключей в реальных сценариях на расстоянии 1,7 км с квантовой защитой, чтобы продемонстрировать возможность достижения рекордных скоростей передачи килобайт в секунду ночью и при дневном свете.
Квантовая сеть на основе запутывания
Исследователи разработали сетевую архитектуру, в которой источник запутанных фотонов позволяет серверу транслировать запутанность в сеть масштаба мегаполиса, построенную из каналов связи в свободном пространстве. Сервер запутывания учёные решили разместить в центральном высотном здании.
Каждый пользователь имел подсистему квантового приёмника для обнаружения анатомии квантового состояния, и команда легко расширила размер сети, введя несколько серверов запутывания, связанных между собой через центральный доверенный режим для распределения запутывания между пользователями. Физики рассчитывают, что серверы запутывания будут служить удобным интерфейсом для подключения городской сети свободного пространства к оптоволоконной магистрали более крупной междугородной сети.
Система квантового распределения ключей между Алисой и Бобом в свободном пространстве
Кржич и его коллеги разработали систему квантовой связи, предназначенную для применения в мегаполисах и состоящую из ключевых элементов, необходимых для создания квантовой сети в свободном пространстве на новом объекте менее чем за сутки. Платформа не требовала предварительной инфраструктуры, кроме доступа к электричеству. Система напоминала сегмент сети Алиса-Боб, где серверы запутывания генерировали пары поляризационно-запутанных фотонов на длине волны 810 нм: Один из них отправлялся Алисе по одномодовому оптоволокну, а Боб получал другой по линии связи в свободном пространстве.
Замкнутая система стабилизации способствовала длительному функционированию, когда и Боб, и Алиса владели подсистемой квантового приемника. Версия Боба имела специально разработанные модули спектральной и пространственной фильтрации для работы при дневном свете, в то время как версия Алисы не требовала специальной фильтрации дневного шума. Команда реализовала классический канал между Алисой и квантовой приемной подсистемой Боба с помощью коммерческих радиоантенн.
Производительность системы в ночное и дневное время
Квантовые инженеры использовали систему для установления квантовой связи между точкой в Йене (Германия) и временным контейнером, расположенным на вершине здания государственной службы, удалённого на 1,7 км. Они оценили производительность системы по скорости квантовой битовой ошибки и достижимой скорости безопасного ключа для двух экспериментов - ночного и дневного, с контрастно более высоким фоновым шумом. Ученые разделили обнаруженные Бобом скорости счета на сигнальные и фоновые шумы, включая солнечную радиацию, измеряемую метеостанцией.
В ходе ночного эксперимента, проведенного 2 марта 2022 года, была продемонстрирована стабильная работа системы, при которой коэффициент ошибок квантовых битов составил менее 2% при средней скорости передачи защищенного ключа 5,4 Кбит/с в течение нескольких часов. При этом производительность системы варьировалась в более широких пределах: например, при облучении канала связи прямыми солнечными лучами уровень обнаруженных шумов достигал значений более 400 килокубитов фотонов в секунду (kcps). В последующие несколько часов, когда небольшие облака пересекали солнце, фоновый шум снижался, восстанавливая производительность платформы, в результате чего она изменялась в прямой зависимости от солнечного света.
Команда смоделировала сценарий, позволяющий оценить производительность двух независимых линий связи в свободном пространстве от серверов запутывания до Алисы и Боба. В ночное время была отмечена безопасная скорость передачи ключей, превышающая 1,1 кбит/с. При развертывании системы в июле 2021 года команда установила квантовый канал распределения ключей в свободном пространстве между двумя офисами, расположенными на расстоянии 300 м друг от друга в Бонне (Германия), что позволило достичь аналогичной скорости передачи ключей в ночное и дневное время.
Перспективы
Таким образом, Андрей Кржич и его команда разработали архитектуру квантовой сети на основе запутанности в свободном пространстве, которая может быть использована в масштабах мегаполиса. Они достигли скорости передачи данных до 5,7 кбит/с в различных условиях, что свидетельствует о возможности её круглосуточного функционирования для полного покрытия города.
В дальнейшем они исследовали высокоразмерную запутанность для обеспечения более высокой информационной ёмкости на фотон, лучшей безопасности и повышенной устойчивости к шумам. Распределение запутанности лежит в основе множества приложений, выходящих за рамки квантового распределения ключей, включая квантовую синхронизацию часов и квантовую криптографию.