В октябре 2024 года был достигнут крупный прорыв в квантовых технологиях: впервые установлена квантовая спутниковая связь между Китаем и Южной Африкой. Соединение охватило впечатляющие 12 900 км — это самое длинное на сегодняшний день межконтинентальное квантовое коммуникационное звено. Предыдущее самое длинное соединение составляло 7600 км и было ограничено северным полушарием.
Достижение стало возможным благодаря квантовому распределению ключей — методу, позволяющему отправителю и получателю обмениваться безопасным ключом для безопасной передачи сообщений. Любое вмешательство в передачу оставляет следы, которые можно обнаружить. Для этого используются одиночные фотоны (крошечные частицы света).
Если кто-то попытается перехватить фотоны, они нарушатся из-за особенностей квантовой физики. Квантовая физика — это изучение материи и энергии на самом фундаментальном уровне. Отправитель и получатель используют только невозмущённые фотоны, что делает ключ к сообщению сверхзащищённым. Ключ можно передавать по оптоволокну или через космическое пространство, включая спутники.
Квантовая связь может использоваться для передачи данных во многих секторах, таких как правительство, военные и финансовые структуры.
Я являюсь частью группы исследователей квантовой физики, которая создала защищённую квантовую связь в реальном времени между Пекином в Китае и Стелленбосским университетом в Южной Африке. Это первое квантовое спутниковое соединение в южном полушарии и первое защищённое квантовое соединение между северным и южным полушариями.
Соединение позволило обеспечить безопасную передачу зашифрованных изображений, опираясь на уникальные принципы квантовой физики.
Благодаря этому достижению Южная Африка присоединилась к передовым рубежам квантовой связи. Это шаг к созданию полностью интегрированного, защищённого и глобального квантового интернета.
Наша основная задача — спутниковая квантовая связь. Спутниковые соединения жизненно важны для развития защищённой сети квантовой связи, поскольку они работают на расстояниях в несколько тысяч километров. Наземные оптоволоконные сети имеют ограничения по расстоянию.
Мы разрабатываем приборы (оптические полезные нагрузки), способные генерировать и обнаруживать запутанные фотоны на орбите.
Наша работа объединяет квантовую оптику, аэрокосмическую инженерию и теорию связи для создания масштабируемых, высокопроизводительных квантовых каналов связи между наземными станциями и спутниками.
Для установления квантовой связи между Китаем и Южной Африкой микроспутник под названием Jinan 1 был выведен на низкую околоземную орбиту, а также была создана переносная оптическая наземная станция. Это мобильное устройство, оснащённое мощным телескопом и специальными детекторами, которые обнаруживают закодированные фотоны, передаваемые со спутника.
Сверхзащищённое квантовое спутниковое соединение между Китаем и Южной Африкой было установлено во время одного прохода спутника над оптической наземной станцией. Это было не только самое длинное квантовое спутниковое соединение, но и самое защищённое из всех, что были достигнуты. Ключ, то есть невозмущённые фотоны, состоял из 1,07 миллиона бит (единиц данных).
Традиционные методы защищённой связи основаны на математических алгоритмах и вычислительной сложности решения определённых задач, таких как разложение больших чисел. В отличие от них, квантовая связь использует для обеспечения безопасности фундаментальные законы физики. Такие законы включают теорему о запрете клонирования. Она утверждает, что невозможно создать точную копию неизвестного квантового состояния, и что эффект наблюдателя (нарушение при измерении) изменяет квантовое состояние. Это делает перехват поддающимся обнаружению.
Квантовое распределение ключей позволяет двум сторонам обмениваться ключами шифрования таким образом, чтобы обнаружить любую попытку перехвата. Ключи кодируются с использованием квантовых состояний, обычно одиночных фотонов, и передаются по оптоволокну или по свободным космическим каналам. В то время как волоконно-оптические системы страдают от потери сигнала на больших расстояниях, спутники предлагают перспективное решение, работая в среде с низкими потерями в верхних слоях атмосферы и в космосе.
Квантовая спутниковая связь — это шаг к созданию глобального квантового интернета — взаимосвязанной сети, которая обеспечивает защищённую связь, квантовые вычисления и зондирование по всему миру.
Успех Jinan-1 указывает путь к созданию сетей квантовых микроспутников, что делает защищённую глобальную связь реальной возможностью. Это открывает большие возможности как для промышленности, так и для политиков.
Для бизнеса, особенно в таких секторах, как финансы, оборона и здравоохранение, эти каналы связи позволяют создавать сверхзащищённые системы связи, устойчивые к взлому даже со стороны будущих квантовых компьютеров. Это позволяет компаниям защищать конфиденциальные данные и обмениваться ими.
Для политиков это шанс укрепить национальную безопасность и установить глобальные стандарты ответственного использования. Кроме того, это стимулирует инвестиции в исследования и образование для подготовки квалифицированных кадров.
Это также способствует международному сотрудничеству, поскольку страны работают вместе над созданием защищённой сети связи.
В целом, квантовые спутниковые каналы могут изменить способы общения в мире, сделав конфиденциальность и безопасность более надёжными, чем когда-либо прежде.
Предоставлено:
The Conversation