Больше, чем любовь. Квантовая связь. Канал связи квантовый

Квантовая физика предлагает нам принципиально новый способ защиты информации, надёжность которого основана не на сложности решения какой-либо математической задачи, а на фундаментальных законах природы. Практическая реализация квантовых линий связи – это квантовая криптография. В ней информация передается посредством элементарных частиц света - фотонов. Новое поколение вычислительных устройств - квантовых компьютеров - позволит взламывать криптографические ключи. Но даже если прибор с идеальной чувствительностью попытается получить информацию, передаваемую по квантовому каналу, он неизбежно изменит состояние фотона. Проще говоря, если кто-то попытается «подслушать» информацию, он неизбежно «испортит» передаваемое сообщение, и таким образом будет замечен. Иными словами, надежность квантовой криптографии математически строго доказана.

Наиболее высокого уровня развития этой технологии достигли несколько стран. Квантовую криптографию уровня TRL-9 (в данном случае, система успешно протестирована и функционирует в своей операционной среде) реализовали в США, Китае и Швейцарии. Устройства зарубежных производителей способны передавать квантовый ключ со скоростью генерации 10-300 кбит/с по городским сетям на расстояния до 80-100 км. Передача на более длинные расстояния пока достигается только в лабораторных экспериментах. Так, в совместной работе и в 2014 году была продемонстрирована принципиальная возможность передачи квантового ключа на расстояние 327 км, на тот момент это являлось рекордной дальностью.

Однако, в то время, как устройства квантовой криптографии уже приобретаются коммерческими банками Швейцарии, в России пока не создано коммерчески доступных устройств. Но в Российском Квантовом Центре промышленное устройство разрабатывается. Впервые в России продемонстрирован прототип квантового распределения ключа на протяженных городских сетях общего пользования длиной в 30 км. Это означает переход проекта на уровень TRL-7 (то есть, продемонстрирован прототип, наиболее приближенный к реальной системе). Срок готовности к серийному производству – конец 2017 года, планируемые характеристики устройства находятся на одном уровне с лучшими мировыми разработками.

Для того, чтобы полностью раскрыть потенциал квантовой криптографии, необходима ее сетевая реализация. Например, Китай выделил 560 млн. юаней (более 80 млн. долларов) на построение квантовой сети протяженностью 2000 км (300 км уже введено в эксплуатацию) с промежуточными защищенными серверами. Эта сеть состоит из цепочки в 32 пролета. А в США компании Battelle и ID Quantique построят квантовую сеть на 650 км с перспективой расширения до 10 000 км. В России также ожидается потребность в строительстве протяженных государственных сетей, защищенных этой технологией. Однако, для этого необходимо создать сопутствующие протоколы, аппаратную сеть и осуществить опытную эксплуатацию в режиме 24/7. Поэтому полный цикл разработки, испытаний и освоения техники потребителем, по опыту зарубежных коллег, требует не менее пяти лет.

Стоит отметить, что в настоящее время основным способом быстрой передачи данных является оптоволокно, но не всегда возможно установить непрерывную линию между двумя заданными пунктами или по крайне мере сделать это оперативно. Здесь также поможет квантовая криптография: секретную передачу данных между любыми двумя точками можно осуществить, установив передатчик или приёмник на искусственный спутник Земли. В этом случае важно расположение этих точек вблизи траектории спутника, а расстояние между ними не имеет значения. Летом 2016 года Китай уже запустил спутник, задача которого - демонстрация квантовой криптографии «Спутник-Земля» для глобального распределения квантового ключа. Проект разработки технологии, позволяющей в едином исполнении реализовывать спутниковую оптическую связь и квантовую криптографию, готовит и Российский Квантовый Центр. Будет создан микро спутник (6U CubeSat), который должен определить минимальную энергоемкость оптического сигнала для передачи данных «Спутник-Земля», продемонстрировать передачу данных на разных длинах волн и online передачу видео со спутника.

Да, все правильно, только на данный момент оборудование не обеспечивает идеальное состояние канала в силу чего, перехват возможен, плюс возможность PNS-атак, когда импульс содержит, много больше чем один фотон, злоумышленник может «незаметно» изъять часть импульсов, и проведя анализ может получить часть информации, при этом большая часть фотонов достигнет конечной точки. Хотя справедливости ради стоит сказать, что уже придумали как можно обнаружить и пресечь данный вид атаки. Но это все же не отменяет того, что данные алгоритмы не совершенны.

Тем более слова о том, что изобретение квантового компьютера позволит взломать все криптографические ключи фикция. Многие проблемы, на базе которых строят асимметричные криптоалгоритмы, ускоряются экспоненциально. Но для симметричных и для хеш-сумм достаточно просто удвоить длину ключа, т.к. Алгоритм Гровера требует O(sqrt(N)) операций для полного перебора N значений: вместо перебора 2^128 ключей потребуется (в теории) всего 2^64 квантовых операций (на практике есть проблемы с столь длительной обработкой квантового состояния).

Российский и чешско-словацкий физики предложили метод сохранения квантовой запутанности фотонов при прохождении усилителя или передаче на большое расстояние.

Квантовая запутанность или сцепленность частиц – явление связи их квантовых характеристик. Она может возникать при рождении частиц в одном событии или их взаимодействии. Эта связь может сохраняться, даже если частицы расходятся на большое расстояние, что позволяет передавать с их помощью информацию. Дело в том, что если измерить квантовые характеристики одной из связанных частиц, то автоматически становятся известны и характеристики второй. Эффект не имеет аналогов в классической физике. Он был экспериментально доказан в 1970 – 80-х годах, и его активно изучают в последние несколько десятилетий. В перспективе он может стать основой целого ряда информационных технологий будущего.

Забавную житейскую аналогию этого явления придумал один из его исследователей, физик-теоретик Джон Белл. Его коллега Рейнгольд Бертлман страдал рассеянностью и часто приходил на работу в носках разного цвета. Предсказать эти цвета было невозможно, но Белл шутил, что достаточно увидеть розовый носок на левой ноге Бертлмана, чтобы сделать вывод, что на правой ноге у него носок другого цвета, даже не видя его.

Одна из проблем практического использования явления квантовой запутанности заключается в нарушении связи при взаимодействии частиц с окружающим миром. Такое может произойти при усилении сигнала или при его передаче на большое расстояние. Эти два фактора могут действовать и вместе, поскольку для передачи сигнала на большое расстояние его надо усиливать. Поэтому фотоны после прохождения через многие километры оптоволокна в большинстве случаев перестают быть квантово запутанными и превращаются в обычные, не связанные между собой кванты света. Чтобы избежать разрушения связи в экспериментах по квантовым вычислениям, приходится использовать охлаждение до близких к абсолютному нулю температур.

Физики Сергей Филиппов (МФТИ и Российский квантовый центр в Сколково) и Марио Зиман (Масариков университет в Брно, Чехия, и Физический институт в Братиславе, Словакия) нашли способ сохранить квантовую запутанность фотонов при прохождении через усилитель или, напротив, при передаче на большое расстояние. Подробности опубликованы в статье (см. также препринт) для журнала Physical Review A.

Суть их предложения заключается в том, что для передачи сигналов определенного вида необходимо, чтобы «волновая функция частиц в координатном представлении не должна иметь вид гауссова волнового пакета». В этом случае вероятность разрушения квантовой запутанности становится намного ниже.

Волновая функция – одно из базовых понятий квантовой механики. Она используется для описания состояния квантовой системы. В частности, явление квантовой запутанности описывается на основе представлений об общем состоянии связанных частиц с определенной волновой функцией. В соответствии с копенгагенской интерпретацией квантовой механики физический смысл волновой функции квантового объекта в координатном представлении заключается в том, что квадрат ее модуля определяет вероятность обнаружить объект в данной точке. С ее помощью можно также получить информацию об импульсе, энергии или еще какой-либо физической величине объекта.

Гауссова функция - одна из важнейших математических функций, нашедшая применение не только в физике, но и во многих других науках вплоть до социологии и экономики, имеющих дело с вероятностными событиями и использующих статистические методы. Очень многие процессы в природе приводят к этой функции при математической обработке результатов наблюдений. Ее график выглядит как колоколообразная кривая.

Обычные фотоны, которые используются сейчас в большинстве экспериментов по квантовому запутыванию, тоже описываются гауссовой функцией: вероятность найти фотон в той или иной точке в зависимости от координат точки имеет колоколообразный гауссов вид. Как показали авторы работы, в этом случае переслать запутанность далеко не получится, даже если сигнал очень мощный.

Использование фотонов, волновая функция которых имеет иную, негауссову, форму, должна существенно повысить число доходящих до адресата запутанных фотонных пар. Однако это не означает, что сигнал можно будет передать через сколь угодно непрозрачную среду или на сколь угодно большое расстояние, – если соотношение сигнал/шум падает ниже некоторого критического порога, то эффект квантовой запутанности исчезает в любом случае.

Физики уже научились создавать запутанные фотоны, разнесенные на несколько сотен километров, и нашли им несколько очень перспективных применений. Например, для создания квантового компьютера. Это направление представляется многообещающим благодаря высокому быстродействию и низкому энергопотреблению фотонных устройств.

Другое направление – квантовая криптография, позволяющая создать линии связи, в которых всегда можно обнаружить «прослушивание». Она основана на том, что любое наблюдение за объектом есть воздействие на него. А воздействие на квантовый объект всегда меняет его состояние. Это означает, что попытка перехватить сообщение должна привести к разрушению спутанности, о чем сразу станет известно получателю.

Кроме того, квантовая запутанность позволяет реализовать так называемую квантовую телепортацию. Ее не надо путать с телепортацией (переносом в пространстве) предметов и людей из фантастических фильмов. В случае квантовой телепортации на расстояние передается не сам объект, а информация о его квантовом состоянии. Все дело в том, что все квантовые объекты (фотоны, элементарные частицы), а вместе с ними и атомы одного вида являются абсолютно одинаковыми. Поэтому, если атом в точке приема приобретает квантовое состояние, идентичное атому в точке передачи, то это эквивалентно созданию копии атома в точке приема. Если бы существовала возможность переноса квантового состояния всех атомов предмета, то в месте приема возникла бы его идеальная копия. С целью передачи информации можно телепортировать кубиты – наименьшие элементы для хранения информации в квантовом компьютере.

По материалам сайта МФТИ

Развитие экспериментальной квантовой физики в последние десятилетия привело к интересным результатам. Абстрактные идеи постепенно находят практическое применение. В области квантовой оптики это, прежде всего, создание квантового компьютера и телекоммуникаций на основе квантовой криптографии - технология, наиболее близкая к реализации.

Современные оптические линии связи не гарантируют конфиденциальность передаваемой информации, поскольку по оптоволоконным линиям движутся миллионы фотонов, во многом дублирующих друг друга, и часть из них можно перехватить незаметно для адресата.

Квантовая криптография использует в качестве носителя информации одиночные фотоны, поэтому при их перехвате они не дойдут до адресата, что сразу же станет сигналом о происходящем шпионаже.

Чтобы скрыть перехват, шпион должен измерить квантовое состояние фотона (поляризацию или фазу) и послать адресату «дубликат». Но согласно законам квантовой механики это невозможно, поскольку любое произведенное измерение изменяет состояние фотона, то есть не дает возможности создать его «клон».

Это обстоятельство гарантирует полную секретность передачи данных, поэтому подобные системы постепенно начинают использоваться в мире секретными службами и банковскими сетями.

Первый протокол квантовой криптографии изобрели американские ученые Чарльз Беннет и Джил Брассард в 1984 году, поэтому его называют ВВ84. Спустя пять лет они создали такую систему в исследовательском центре IBM, разместив передатчик и приемник в светонепроницаемом кожухе на расстоянии всего 30 см друг от друга. Система управлялась с персонального компьютера и позволяла обмениваться по воздушному каналу (без кабеля) секретным ключом со скоростью 10 бит/с.

Очень медленно и совсем недалеко, но это был первый шаг.

Суть протокола ВВ84 в передаче фотонов с поляризацией в четырех возможных направлениях. Два направления вертикально-горизонтальных и два диагональных (под углами плюс-минус 45 градусов). Отправитель и получатель договариваются, что, допустим, вертикальная поляризация и поляризация под углом плюс 45 градусов соответствуют логическому нулю, а горизонтальная и минус 45 градусов - единице. Затем отправитель посылает адресату последовательность одиночных фотонов, поляризованных в одном из этих направлений случайным образом, а адресат по открытому каналу связи сообщает, в какой системе координат (поляризаций) он измерил полученные лучи, но не сообщает результат своих измерений. Поскольку каждый фотон может быть как нулем, так и единицей, для перехватчика эта открытая информация бесполезна. Отправитель сообщает, верно ли выбрана система координат для каждого фотона. Затем они записывают совпавшую последовательность, которая и становится для них готовым двоичным кодом - секретным ключом расшифровки данных. Теперь все зашифрованные данные можно передавать по открытым сетям.

Изобретение вызвало огромный интерес во всем мире.

Кодирование фотонов по поляризациям используется в экспериментальных атмосферных линиях связи, поскольку при распространении излучения через атмосферу поляризация излучения изменится незначительно, а для подавления солнечного или лунного света применяют спектральные, пространственные и временные фильтры. В первой экспериментальной установке в 1992 году расстояние между передатчиком и приемником (длина квантового канала) было всего 30 см, в 2001 году — уже почти 2 км. Еще через год за рубежом продемонстрировали передачу ключа на расстояния, превышающие эффективную толщину атмосферы, - 10 км и 23 км. В 2007-м ключ передали на 144 км, а в 2008-м отраженный однофотонный сигнал от лазерного импульса со спутника был зарегистрирован на Земле.

Для генерации одиночных фотонов используется сильно ослабленное излучение полупроводниковых лазеров. Но можно применить и источники одиночных фотонов - однофотонные излучатели на квантовых точках, разработанные в Институте физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН. Это полупроводниковые структуры, позволяющие выделять излучение только одной квантовой точки. Поскольку для секретности передачи нужно не более одного фотона в каждом лазерном импульсе, то к фотодетекторам приемного узла предъявляются высокие требования. Они должны обладать достаточно высокой вероятностью регистрации (более 10%), малыми шумами и высокой скоростью счета.

Однофотонными детекторами могут служить лавинные фотодиоды, которые отличаются от обычных усилением электрических импульсов: в обычных фотодиодах на один падающий фотон рождается не больше одного электрона, а в лавинных фотодиодах - тысячи. При напряжении на фотодиоде свыше некоторого порогового и попадании на него фотона происходит лавинное размножение носителей заряда. Чем выше напряжение над порогом, тем больше вероятность регистрации фотона, но и сильнее шумы.

Чтобы снять эти шумы, их (детекторы) необходимо охлаждать до минус 50 градусов Цельсия специальным полупроводниковым микрохолодильником.

Но можно применять и сверхпроводящие детекторы из набора нанопроволок толщиной около 50 нм. Такие структуры находятся в переходном режиме от проводящего к сверхпроводящему. Прохождения одного фотона через этот детектор и его поглощения достаточно, чтобы разогреть нанопроволоки и изменить ток через них. По изменению тока регистрируется пришедший фотон. Сверхпроводящие детекторы гораздо меньше «шумят», чем лавинные фотодиоды. Зарубежные эксперименты со сверхпроводящими детекторами продемонстрировали максимальную дальность передачи квантового ключа — 250 км по сравнению со 150 км при использовании лавинных фотодиодов. Основной сдерживающий фактор для серийного применения сверхпроводящих детекторов - необходимость их глубокого охлаждения с помощью дорогостоящих гелиевых криостатов.

Дальность и скорость передачи информации ограничены возможностями оптоволоконных линий связи, эффективностью детекторов и уровнем их шумов.

Максимальная дальность передачи информации с помощью технологии квантовой криптографии по оптоволокну около 150 километров, но при таком расстоянии скорость передачи будет всего около 10 бит в секунду, а на пятидесяти километрах — примерно 10 кбит в секунду.

Поэтому квантовые линии связи имеют высокую ценность только для передачи конфиденциальных данных.

Для оптоволоконных линий связи применяются различные способы кодирования квантовых состояний фотонов. Одни из первых криптосистем работали на основе поляризационного кодирования, так же как для протокола ВВ84. Однако в обычном оптоволокне сильно искажается поляризация фотонов, так что наиболее популярно фазовое кодирование.

Современные коммерческие квантовые оптоволоконные криптосистемы используют двухпроходную оптическую схему и фазовое кодирование фотонов. Впервые эта система применена швейцарскими учеными в 2002 году. В ее схеме фотоны дважды проходят квантовый канал (оптоволокно длиной в десятки километров) — сначала в виде многофотонного лазерного импульса от приемника к передатчику, а затем на стороне передатчика они отражаются от так называемого зеркала Фарадея, ослабляются до уровня одиночных фотонов и отправляются обратно через квантовый канал к приемнику. Зеркало Фарадея «поворачивает» поляризацию (направление) отраженных фотонов на 90 градусов за счет эффекта Фарадея (поворот поляризации) в специальном магнитооптическом стекле, помещенном в магнитное поле. А на обратном пути к приемнику все поляризационные и фазовые искажения фотонов в квантовом канале претерпевают обратные изменения, то есть автоматически компенсируются. Технология не требует настройки квантового канала и позволяет работать со стандартными оптоволоконными линиями связи.

Сегодня именно такая экспериментальная линия связи в России создана в новосибирском Институте физики полупроводников, где сейчас проходит тестирование и доводку с квантовым каналом длиной 25 км (предполагается увеличить его длину до 100 км).

Особенность созданной системы - применение специально разработанных быстродействующих контроллеров, которые управляют ее настройкой и работой в автоматическом режиме. Этих систем разработано всего несколько в мире, причем, технология их реализации не раскрывается, так что единственный путь внедрения квантовых линий связи в нашей стране - это собственная отечественная разработка.

Подготовила Мария Роговая (Новосибирск )

КАНАЛ СВЯЗИ КВАНТОВЫЙ

Система передачи (преобразования) информации, использующая в качестве носителя сообщений квантово-механич. .

В отличие от классического сообщения, описываемого распределением вероятностей на пространстве сигналов X, квантовое сообщение представляется оператором плотности (состоянием) в гильбертовом пространстве Н, соответствующем данному квантово-механич. объекту. Всякий можно рассматривать как аффинное (сохраняющее выпуклые комбинации) (выпуклого) множества сообщений на входе в сообщений на выходе. В частности, квантовое кодирований есть аффинное отображение Смнржества S(X)распределений вероятностей на пространстве входных сигналов Xв е(H), множество всех операторов плотности в Н. Собственно К. с. к. есть аффинное отображение Lиз е(Н). в е(H"), где Н, Н" - гильбертовы пространства, описывающие соответственно вход и выход канала. Квантовое есть аффинное отображение Dиз е(H") в S(Y), где Y- пространство сигналов на выходе. Передача сообщений, как и в классической теории информации, описывается схемой

Важной задачей является нахождение оптимального способа передачи сообщения по заданному квантовому каналу L. При фиксированном Lусловное сигнала на выходе относительно сигнала на входе является функцией Pc,D (dy|x )кодирования С и декодирования D. Задается некоторый Q{P C , D (dy|x )}и требуется найти этого функционала по Си D. Наиболее изучен случай, когда Стакже фиксированно и нужно найти оптимальное D. Тогда (1) сводится к более простой:

Чтобы задать кодирование, достаточно указать образы r х распределений, сосредоточенных в точках Декодирование удобно описывать Y-измерением, к-рое определяется как М(dy )на Yсо значениями в множестве неотрицательных эрмитовых операторов в Н, причем M(Y)равно единичному оператору. Взаимно однозначное между декодированием и измерениями задается формулой

так что сигнала на выходе схемы (2) относительно сигнала на входе есть

Р(dy|x ) = Tr r x M (dy ).

В случае конечных X, Y для оптимальности измерения {М (у)}необходимо, чтобы оператор

где

был эрмитов и удовлетворял условию

Если Q- аффинная (как в случае бейесовского риска), то для оптимальности (в смысле минимума (?) необходимо и достаточно, чтобы кроме (3), удовлетворял условию Аналогичные условия имеют место для достаточно произвольных X, У.

Существует параллель между квантовыми измерениями и решающими процедурами в классической теории статистич. решений, причем детерминированным процедурам соответствуют простые измерения, определяемые проекторнозначными мерами M(dy ). Однако, в отличие от классич. статистики, где оптимальная , как правило, сводится к детерминированной, в квантовом случае уже для бейесовской задачи с конечным числом решений оптимальное измерение, вообще говоря, не может быть выбрано простым. Геометрически это объясняется тем, что оптимум достигается на крайних точках выпуклого множества всех измерений, а в квантовом случае простых измерений содержится в множестве крайних точек, не совпадая с ним.

Как и в классич. теории статистич. решений, возможно ограничение класса измерений требованиями инвариантности или несмещенности. Известны квантовые аналоги неравенства Рао - Крамера, дающие нижнюю границу для среднеквадратичной погрешности измерения. В приложениях теории много внимания уделяется бозонным гауссовским каналам связи, для к-рых в ряде случаев дано явное описание оптимальных измерений.

Лит. : Helstrom С. W., Quantum detectiv and estimation theory, N. Y., 1976; Xолево А. С, Исследования по общей теории статистических решений, М, 1976; его же, "Repts Math. Phys.", 1977, v. 12, p. 273-78.

Математическая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . И. М. Виноградов . 1977-1985 .

Смотреть что такое "КАНАЛ СВЯЗИ КВАНТОВЫЙ" в других словарях:

Квантовая криптография метод защиты коммуникаций, основанный на принципах квантовой физики. В отличие от традиционной криптографии, которая использует математические методы, чтобы обеспечить секретность информации, квантовая криптография… … Википедия

Квантовая телепортация передача квантового состояния на расстояние при помощи разъединённой в пространстве сцепленной(запутанной) пары и классического канала связи, при которой состояние разрушается в точке отправления при проведении… … Википедия

RSA (буквенная аббревиатура от фамилий Rivest, Shamir и Adleman) криптографический алгоритм с открытым ключом. RSA стал первым алгоритмом такого типа, пригодным и для шифрования, и для цифровой подписи. Алгоритм используется в большом числе… … Википедия

RSA (буквенная аббревиатура от фамилий Rivest, Shamir и Adleman) криптографический алгоритм с открытым ключом. RSA стал первым алгоритмом такого типа, пригодным и для шифрования, и для цифровой подписи. Алгоритм используется в большом числе… … Википедия - (США) (United States of America, USA). I. Общие сведения США государство в Северной Америке. Площадь 9,4 млн. км2. Население 216 млн. чел. (1976, оценка). Столица г. Вашингтон. В административном отношении территория США … Большая советская энциклопедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Гордон. Гордон Жанр Научно популярные и философские беседы Автор(ы) Александр Гордон Режиссёр(ы) Леонид Гюне Производство НТВ Ведущий(е) … Википедия

1045–50 е гг. В Великом Новгороде построен Софийский собор; при его возведении применялись блоки, полиспасты, вороты, рычажные и другие строительные механизмы. 1156 Построен деревянный Кремль в Москве по приказу Юрия Долгорукого. 1404 Монах… … Энциклопедия техники

Запущенный в прошлом году китайский спутник Micius успешно завершил орбитальные испытания и установил новый рекорд квантовой связи. Он сгенерировал пару запутанных фотонов, разделил их и передал одновременно двум наземным станциям, удаленным друг от друга на 1203 км. Затем наземные станции использовали эффект квантовой телепортации для обмена зашифрованными сообщениями. Потенциально запуск таких спутников открывает возможность создания глобальных систем связи, защищенных от перехвата на уровне физических принципов. Эксперимент уже окрестили «началом квантового интернета».

Аппарат стоимостью около 100 миллионов долларов был создан в рамках проекта QUESS (Quantum Science Satellite) - совместной инициативы Китайской и Австрийской академии наук. «Данный проект призван доказать возможность внедрения квантовых коммуникаций в мировом масштабе», - комментирует Антон Цайлингер, эксперт по квантовой физике Венского университета, первым в мире выполнивший квантовую телепортацию состояний запутанных фотонов.

Телепортация квантовая и фантастическая

Термин «телепортация» может ввести в заблуждение. В квантовых системах он означает передачу информации между заранее сгенерированными парами сцепленных частиц, то есть характеризующихся общей волновой функцией. Передачи материи или энергии при этом не происходит, и ОТО не нарушается. Суть квантовой телепортации состоит в использовании взаимосвязанных квантовых состояний запутанных частиц для кодирования и мгновенной передачи информации. Измерение (то есть изменение) свойств одной частицы мгновенно изменит ее у второй, на каком бы расстоянии они ни находились.

Спутник массой более 600 кг был выведен на солнечно-синхронную орбиту высотой 494,8–511,1 км при помощи ракеты-носителя «Чанчжэн-2D» (также известной как Long March, или «Великий поход»), стартовавшей с космодрома Цзюцюань 16 августа 2016 года. После долгих месяцев тестирования он был передан Китайской академии наук.

Параметры орбиты были выбраны так, чтобы спутник появлялся в одном и том же месте каждую ночь. Наземные станции отслеживали спутник и устанавливали с ним оптические линии связи для приема одиночных запутанных фотонов. Вели спутник три оптических телескопа в Делинге, Лицзяне и Наньшане. Спутнику удалось установить связь со всеми тремя наземными станциями.

По плану Micius станет первым аппаратом в глобальной сети квантовой связи, которую в КНР намерены создать к 2030 году. Одна из задач его научной миссии - квантовая передача информации по защищенному от перехвата каналу связи между Пекином и Веной. Для этого спутник оснащен экспериментальным оборудованием: излучателем пар запутанных фотонов и высокоскоростным когерентным лазерным передатчиком.

Кстати, спутник Micius (в другой транскрипции - Mozi) назван в честь древнекитайского философа Мо-цзы. Как считает ведущий специалист по разработке Micius, академик Цзянь-Вэй Пан из Университета науки и технологии Китая, его соотечественник Мо-цзы еще до нашей эры описал характер распространения света, что дало начало развитию оптическим видам связи. Оставим за рамками статьи национальные притязания на первенство в оптике и посмотрим, чем же интересен поставленный рекорд, а заодно попытаемся разобраться в основах квантовой связи.

Китайско-австрийское соглашение

Австрия стала участником проекта неслучайно: именно группе физиков из австрийского Инсбрукского университета в 1997 году впервые удалось продемонстрировать квантовую телепортацию состояний у пары запутанных фотонов.

У современного Китая тоже интересная история освоения квантовой связи. В 2005 году ученые из Китайского университета науки и технологий смогли передать квантовое состояние запутанных частиц на 7 км по открытому воздуху. Позже при помощи изготовленного на заказ оптоволокна это расстояние увеличили до 400 км. Впервые передачу запутанных фотонов через атмосферу и на значительное расстояние также удалось выполнить физикам Научно-технического университета Китая и Пекинского университета Цинхуа. В мае 2010 года они успешно передали пару запутанных фотонов более чем на 16 км (см. в журнале Nature Photonics).

Оптоволоконная линия или связь «через воздух» в зоне прямой видимости нужна только для первоначального разделения запутанных фотонов. В дальнейшем информация об изменении их квантового состояния передается мгновенно и независимо от расстояния. Поэтому, кроме традиционно перечисляемых преимуществ квантовой передачи данных (высокая плотность кодирования, скорость и защищенность от перехвата), Цайлингер отмечает еще одно важное свойство: квантовая телепортация возможна и в том случае, когда точное взаимное расположение приемника и передатчика неизвестно. Это особенно важно для спутниковых систем связи, поскольку в них взаимное расположение узлов сети постоянно меняется.

В новом эксперименте с использованием Micius лаборатории, находящиеся в столицах Китая и Австрии, передавали друг другу сообщение, зашифрованное шифром Вернама, по наземным открытым каналам. В качестве криптографического ключа использовались результаты измерения квантовых свойств у принимаемых со спутника пар запутанных фотонов.

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 применялись оптические фильтры для отсечения лунного света и городской засветки. Без них в оптической линии связи был слишком сильный уровень шумов.

Каждый проход спутника над территорией Китая длился всего 275 с. За это время требовалось одновременно установить с него два исходящих канала. В первой серии экспериментов - между Делингой и Наньшанем (расстояние 1120 км). Во второй - между Делингой и Лицзянем (1203 км). В обоих экспериментах со спутника успешно принимались пары запутанных фотонов и защищенный канал связи работал.

Это считается прорывом сразу по нескольким причинам. Во-первых, Micius стал первым удачным экспериментом в области спутниковой квантовой связи. До сих пор все подобные опыты проводились в наземных лабораториях, где приемник и передатчик были удалены друг от друга на куда меньшие расстояния. Во-вторых, в других экспериментах для передачи запутанных фотонов требовалось использование какой-то изолированной среды. Например, оптоволоконных линий связи. В-третьих, при квантовой связи по оптоволокну передаются и регистрируются одиночные фотоны, а спутник повышает эффективную скорость обмена.

Квантовая связь в России

С 2014 года в России запущен проект в области наземной квантовой связи. Инвестиции в него превышают 450 миллионов рублей, но практический выход пока очень скромный. 31 мая 2016 года сотрудниками Российского квантового центра была запущена первая отечественная линия квантовой связи. Созданная на базе существующей оптоволоконной сети, она соединила два отделения Газпромбанка в Москве - на Коровьем Валу и в Новых Черемушках. Расстояние между этими зданиями составляет около 30 км. Пока российская линия квантовой связи функционирует как экспериментальная.

Сигнал от Micius шел через атмосферу и был одновременно принят двумя наземными станциями. «Если бы мы использовали оптоволокно длиной 1200 км для распределения пар запутанных фотонов на Земле, то из-за потери мощности сигнала с расстоянием мы могли бы передавать только одну пару в секунду. Спутник помогает преодолеть этот барьер. Мы уже улучшили скорость распределения на 12 порядков по сравнению с прежними технологиями», - говорит Цзянь-Вэй Пан.

Квантовая передача данных через спутник открывает возможность построения глобальных систем связи, максимально защищенных от перехвата на уровне физических принципов. «Это первый шаг в направлении всемирной безопасной квантовой коммуникации и, возможно, даже квантового интернета», - считает Антон Цайлингер.

Парадокс данного достижения состоит в том, что даже авторы проекта не знают всех деталей о работе квантовой системы связи. Есть только рабочие гипотезы, их экспериментальная проверка и долгие дебаты о правильности трактовки полученных результатов. Так часто бывает: сначала открывают какое-то явление, потом его начинают активно использовать, и только спустя долгое время находится кто-то, способный понять его суть. Первобытные люди умели добывать огонь, но никто из них не понимал физико-химические процессы горения. Разобраться в них пришлось для того, чтобы сделать качественный переход от костра до двигателя внутреннего сгорания и ракетного двигателя.

Квантовая телепортация - штука и вовсе запутанная во всех смыслах. Давай попробуем абстрагироваться от сложных формул, незримых понятий и разобраться в ее основах. Помогут нам в этом старые знакомые - собеседники Алиса, Боб и вечно подслушивающий их Мэлори.

Как Алиса и Боб обвели Мэлори

В обычной системе связи Мэлори отводится роль «человека посередине». Он незаметно вклинивается в линию передачи, перехватывает сообщение от Алисы, читает его, при желании также изменяет и передает дальше Бобу. Наивный Боб ни о чем не подозревает. Поэтому Мэлори получает его ответ, проделывает с ним что угодно и отправляет Алисе. Так происходит компрометация всей переписки, телефонных переговоров и любого другого классического вида связи. С квантовой связью это невозможно в принципе. Почему?

Чтобы создать в ней криптографический ключ, Алиса и Боб сначала используют серию измерений на парах запутанных фотонов. Затем результаты этих измерений становятся ключом для шифрования и расшифровки сообщений, отправляемых по любому открытому каналу. Если Мэлори перехватит запутанные фотоны, он разрушит квантовую систему и оба собеседника немедленно узнают об этом. Мэлори физически не сможет повторно передать такие же фотоны, потому что это противоречит принципу квантовой механики, известному как «запрет на клонирование».

Так происходит потому, что свойства макро- и микромира кардинально отличаются. Любой макрообъект всегда существует во вполне определенном состоянии. Вот лист бумаги, он лежит. Вот его поместили в конверт и отправили авиапочтой. Мы можем измерить любой параметр бумажного сообщения в любой момент времени, и это никак не повлияет на его суть. Оно не изменит содержание от взвешивания, просвечивания рентгеном и не станет лететь быстрее в луче радара, которым мы измеряем скорость самолета.

Для элементарных частиц все не так. Они описываются как вероятностные состояния квантовой системы, а любое измерение переводит ее в строго определенное состояние, то есть изменяет. Само влияние измерения на результат плохо укладывается в привычное мировоззрение. Однако с практической точки зрения оно интересно тем, что состояние передаваемой квантовой системы нельзя узнать скрытно. Попытка перехватить и прочесть такое сообщение попросту разрушит его. Поэтому считается, что квантовая связь полностью исключает возможность MitM-атаки.

Для квантовой передачи данных теоретически подходят любые элементарные частицы. Раньше эксперименты проводились с электронами, протонами и даже ионами разных металлов. На практике же пока удобнее всего использовать фотоны. Их легко излучать и регистрировать. Уже есть готовые приборы, протоколы и целые оптоволоконные сети для традиционной передачи данных. Отличие квантовых систем связи состоит в том, что передавать в них надо пары предварительно запутанных фотонов.

Как не запутаться в двух фотонах

Запутанность элементарных частиц порождает жаркие споры вокруг принципа локальности - постулата о том, что во взаимодействиях участвуют только достаточно близкие друг к другу объекты. На этом принципе строятся все экспериментальные проверки в классической механике. Результат любого опыта в ней зависит только от непосредственно взаимодействующих тел и может быть точно рассчитан заранее. Количество наблюдателей тоже никак на него не повлияет. В случае с квантовой механикой такой определенности нет. Например, нельзя заранее сказать, какая будет поляризация у одного из запутанных фотонов.

Эйнштейн осторожно предположил, что вероятностный характер предсказаний квантовой механики объясняется наличием каких-то скрытых параметров, то есть банальной неполнотой описания. Спустя тридцать лет Белл ответил созданием серии неравенств, теоретически способных подтвердить наличие скрытых параметров в экспериментах с квантовыми частицами путем анализа распределения вероятностей в серии опытов. Ален Аспе, а затем и другие экспериментаторы продемонстрировали нарушение неравенств Белла.

В 2003 году физик-теоретик из Иллинойского университета Тони Леггет обобщил накопленные данные и предложил вовсе отказаться от принципа локальности в любых рассуждениях о квантовых системах. Позже группа ученых из Цюрихского института теоретической физики и Института прикладной физики технического университета Дармштадта под руководством Роджера Кольбека пришла к выводу о том, что принцип Гейзенберга также некорректен для запутанных элементарных частиц.

Такое постоянное переосмысление квантовой механики происходит потому, что мы пытаемся мыслить привычными категориями в непривычном окружении. Запутанные состояния частиц и, в частности, фотонов - вовсе не мистическое свойство. Оно не нарушает, а дополняет известные законы физики. Просто пока сами физики не могут описать наблюдаемые эффекты в непротиворечивой теории.

Квантовая запутанность наблюдается в экспериментах с 1970-х годов. Разнесенные на любое расстояние пары предварительно запутанных частиц мгновенно (то есть быстрее скорости света) меняют свойства друг друга - отсюда и возник термин «телепортация». Например, стоит изменить поляризацию одного фотона, как парный ему тут же изменит свою. Чудо? Да, если не вспомнить, что изначально эти фотоны были единым целым, а после разделения их поляризация и другие свойства также оказались взаимосвязанными.

Наверняка ты помнишь про двуличность фотона: он взаимодействует как частица, а распространяется как волна. Для создания пары запутанных фотонов есть разные методики, одна из которых базируется на волновых свойствах. В ней генерируется один фотон с меньшей длиной волны (например, 512 нм), а затем он разделяется на два фотона с большей длиной волны (1024 нм). Длина волны (частота) таких фотонов одинакова, а все квантовые свойства пары описываются вероятностной моделью. «Изменить» же в микромире означает «измерить», и наоборот.

У фотона-частицы есть квантовые числа - например, спиральность (положительная или отрицательная). У фотона-волны есть поляризация - например, горизонтальная или вертикальная (либо левая и правая круговая - смотря какую плоскость и направление движения мы рассматриваем).

Какими эти свойства будут у каждого фотона из пары, заранее неизвестно (см. вероятностные принципы квантовой механики). Зато в случае запутанных фотонов мы можем утверждать, что они будут противоположными. Поэтому если изменить (измерить) характеристики одного фотона из пары, то они мгновенно станут определены у второго, даже если он находится за 100500 парсек. Важно понимать, что это не просто устранение неизвестности. Это именно изменение квантовых свойств частиц в результате перехода от вероятностного состояния к детерминированному.

Основная техническая трудность заключается не в том, чтобы создать запутанные пары фотонов. Практически любой источник света рождает их постоянно. Даже лампочка у тебя в комнате излучает запутанные фотоны миллионами. Однако ее трудно назвать квантовым прибором, поскольку в таком хаосе квантовая запутанность рожденных пар быстро исчезает, а бесчисленные взаимодействия мешают эффективно передавать информацию.

В экспериментах с квантовой запутанностью фотонов обычно используют свойства нелинейной оптики. Например, если на ограненный определенным образом кусочек ниобата лития или другой нелинейный кристалл посветить лазером, то возникнут пары фотонов со взаимно ортогональной (то есть горизонтальной и вертикальной) поляризацией. Один (сверх)короткий импульс лазера - строго одна пара фотонов. Вот где магия!

Дополнительный бонус квантовой передачи данных

Спиральность, поляризация - все это дополнительные способы кодировать сигнал, поэтому одним фотоном можно передать более одного бита информации. Так в квантовых системах связи повышается плотность передачи данных и ее скорость.

Использовать квантовую телепортацию для передачи информации пока слишком сложно, но прогресс в этой области движется стремительно. Первый успешный опыт был зарегистрирован в 2003 году. Группа Цайлингера выполнила передачу квантовых состояний запутанных частиц, удаленных друг от друга на 600 м. В 2010 году группа Цзянь-Вэй Пана увеличила это расстояние до 13 км, а затем в 2012 году побила собственный рекорд, зафиксировав успешную квантовую телепортацию на расстоянии 97 км. В том же 2012 году Цайлингер взял реванш и увеличил расстояние до 143 км. Теперь совместными усилиями они совершили настоящий прорыв - выполнили передачу на 1203 км.