Корейские учёные разработали теорию защиты от измерений (МП), которая позволяет осуществлять стабильное распределение квантовых ключей (QKD) без необходимости коррекции измерений квантовых состояний. Они экспериментально подтвердили эту теорию.
Институт электроники и телекоммуникаций (ETRI) совместно с KAIST разработал новую технологию
Институт электроники и телекоммуникаций (ETRI) в сотрудничестве с KAIST впервые в мире разработал технологию, которая позволяет осуществлять стабильную квантовую связь даже в движущихся средах, таких как спутники, корабли и дроны.
Квантовая связь — это технология высокого уровня
Квантовая связь — это технология высокого уровня, которая передаёт информацию в квантовом состоянии света. Однако в свободной мобильной среде на связь сильно влияют погодные условия и изменения в окружающей среде, что делает её нестабильной. Особенно сложно обеспечить стабильную передачу квантовых состояний в динамических средах, где состояние каналов меняется в реальном времени, например, в небе, на море или в воздухе.
Исследование преодолевает эти ограничения
Исследование, опубликованное в IEEE Journal on Selected Areas in Communications, преодолевает эти ограничения, демонстрируя техническую осуществимость стабильного обмена квантовой информацией даже в движении. Ожидается, что это достижение приведёт к применению в различных областях, таких как защищённая спутниковая связь с наземными станциями, связь с дронами и морская связь.
Технология распределения квантовых ключей (QKD)
QKD — это технология, которая распределяет ключи шифрования на основе принципов квантовой механики, что делает подслушивание принципиально невозможным. Обычные протоколы QKD требовали повторной калибровки измерительных устройств приёмника всякий раз, когда менялись условия канала. Однако это исследование доказало, что стабильное распределение ключей может быть достигнуто независимо от условий канала с помощью простых локальных операций.
Теория была разработана командой профессора Бэ Джун-ву в KAIST, а эксперименты проводились исследователями в ETRI.
Результаты исследования
Для генерации однофотонных импульсов исследователи использовали источник света на 100 МГц, вертикальный поверхностно-излучающий лазер (VCSEL), тип полупроводникового лазера, который излучает вертикально с верхней поверхности чипа. Они создали среду для передачи данных на большие расстояния по свободному пространству с потерей до 30 дБ на пути в 10 метров, ввели различные поляризационные шумы для имитации сложных условий передачи по свободному пространству и проверили успешную квантовую передачу и измерение.
В результате было продемонстрировано, что система QKD на основе защиты от измерений (МП) может увеличить максимально допустимую системой частоту квантовых битовых ошибок (QBER), которая представляет собой процент передаваемых квантовых битов, содержащих ошибки, до 20,7% по сравнению с существующими системами. Это означает, что стабильное распределение квантовых ключей возможно без дополнительной компенсации измерений, пока уровень ошибок среди полученных квантовых битов составляет менее 20,7%.
Исследователи ожидают, что эти результаты будут применимы в средах, аналогичных спутниковой связи с наземными станциями. Результаты исследования опубликованы в июне в Journal on Selected Areas in Communications. Исследователь ETRI Ко Хэсин и доктор Спирос Кехримпарис из KAIST участвовали в качестве соавторов, занимающих первые места в списке авторов.
Метод экспериментальной компенсации
Между тем ETRI также представил экспериментальный метод компенсации проблемы «поляризация-зависимые потери», ключевой задачи для практического применения QKD. Ожидается, что это исследование будет способствовать коммерциализации компактного и лёгкого оборудования QKD путём решения проблемы снижения производительности в интегрированных чипах QKD.
Интегрированный QKD считается технологией следующего поколения для замены громоздких и дорогих систем со встроенной оптикой, но поляризация-зависимые потери во время интеграции могут стать серьёзным препятствием. Исследователи ETRI экспериментально продемонстрировали, что эти потери можно компенсировать с помощью простых оптических компонентов и применить к системам QKD, основанным на поляризации, для достижения стабильного распределения ключей без снижения производительности. Это достижение также опубликовано в качестве обложки в Advanced Quantum Technologies.