Китайская группа физиков, которая ранее продемонстрировала квантовое распределение ключа между спутником и обсерваторией, впервые провели сеанс квантовой криптографии с использованием запутанности между двумя наземными станциями на расстоянии 1120 километров. Работа представлена в журнале Nature.

Квантовое распределение ключа — это теоретически абсолютно безопасный способ обмена секретными ключами между удаленными пользователями. Метод основан на фундаментальных законах квантовой физики: процесс измерения квантовой системы изменяет ее состояние. Злоумышленник, который попытается украсть ключ, должен каким-то образом измерить его, но измерение вводит аномалии, которые видят и легитимные участники протокола. Таким образом, пользователи могут раскрыть и проверить часть полученного ключа и убедиться, что никто, кроме них самих, его не измерял.

Экспериментальное распределение ключа было продемонстрировано в лабораторных условиях с помощью оптоволокна длиной 421 километра. Ранее мы писали как за пределами лаборатории китайским ученым под руководством профессора Цзянь-Вэй Пана (Jian-Wei Pan) удалось передать ключ от спутника до наземной станции на расстоянии 1200 километров, что на сегодняшний день является абсолютным рекордом.

Однако реальная криптография на основе квантового распределения ключа нацелена на пользователей, находящихся на Земле. При использовании квантовых повторителей можно создать сеть узлов, которые находятся на расстоянии до 100 километров друг от друга. К сожалению, каждый повторитель несет риск безопасности и может быть атакован злоумышленником. Другой способ распределения ключа на большие расстояния задействует спутниковую связь с использованием квантовой запутанности.

Та же группа китайских ученых под руководством профессора Пана впервые провела сеанс квантового распределения ключа на основе запутанности между двумя наземными станциями, расстояние между которым составила 1120 километрами. Запутанные пары фотонов были разделены и отправлены по каналам связи от спутника Micius к двум наземным обсерваториям в Делинге (Delingha) и Наньшане (Nanshan).

Важным инженерным достижением, без которого эксперимент бы не состоялся, является создание высокоэффективного телескопа и обрабатывающей оптики. Ученым удалось повысить эффективность сбора данных каждого канала связи спутник-Земля примерно в два раза по сравнению с предыдущим экспериментом. Наилучшие данные были получены в ясную ночь и без тумана, когда атмосфера имела самый высокий коэффициент пропускания.

Чтобы проверить построенную криптографическую систему, для начала физики верифицировали запутанности с помощью теста Клаузера-Хорна-Шимони-Холта (CHSH), который проводился над полученными со спутника фотонами. Тест подтвердил наличие квантовых корреляций с точностью в восемь стандартных отклонений.

Для проведения непосредственно распределения ключа ученые использовали протокол BBM92, в котором два пользователя получают по одному фотону из потока запутанных пар фотонов. Затем они случайным образом выбирают базис для измерения каждого фотона, получают результат измерения, и отбирают только те исходы, где они проводили измерения в одинаковом базисе. Согласование базисов осуществляется по классическому каналу связи. Дальше они используют часть ключа для оценки частоты появления ошибок, которая говорит о наличии подслушивания.

Физики убедились, что полученные ключи безопасны — наземные приемники невосприимчивы к ошибкам от шума, то есть возникновение аномалий явно свидетельствует о подслушивании. Авторы отмечают, что полученные результаты — важный шаг на пути к абсолютно надежной криптографии для межконтинентально удаленных пользователей.

Ранее та же группа ученых создала запутанность на расстоянии боле 50 километров с помощью оптоволокна между двумя лабораториями в Хэфэе. В то время как Китай впереди планеты всей, мы постепенно включаемся в квантовую гонку коммуникаций: в 2016 году в России была создана первая банковская линия квантовой связи, а в 2017 году ученые из МГУ представили квантовый телефон. На данный момент Российский квантовый центр, Сбербанк и фонд «Сколково» строят на территории инновационного центра крупнейшую в России линию квантовой защищенной связи суммарной протяженностью около 250 километров. Больше про квантовую криптографию вы можете прочитать в нашем материале «Квантовые технологии».

Михаил Перельштейн