В октябре 2024 года был достигнут крупный прорыв в квантовых технологиях: впервые установлена квантовая спутниковая связь между Китаем и Южной Африкой. Соединение охватывает впечатляющие 12 900 км — это самое длинное на сегодняшний день межконтинентальное квантовое коммуникационное звено. Предыдущее самое длинное соединение было длиной 7 600 км и проходило только в северном полушарии.
Квантовое распределение ключей — метод, позволяющий отправителю и получателю обмениваться безопасным ключом для защищённой передачи сообщений. Любое перехватывание во время передачи оставляет следы, которые можно обнаружить. Для этого используются одиночные фотоны (крошечные частицы света).
Если кто-то попытается перехватить фотоны, они нарушатся из-за 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 отправить через оптоволокно или по свободному пространству, включая спутники.
Квантовая связь может быть использована для передачи данных во многих секторах, таких как правительство, военные и финансовые.
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 первая квантовая спутниковая связь в южном полушарии и первая защищённая квантовая связь между северным и южным полушариями.
Соединение позволило обеспечить безопасную передачу зашифрованных изображений, опираясь на уникальные принципы квантовой физики.
С этим достижением Южная Африка присоединилась к передовым рубежам квантовой связи. Это шаг к созданию полностью интегрированного, безопасного и глобального квантового интернета.
Мы, исследователи, заинтересованы в разработке оптических систем для развёртывания квантовых коммуникационных каналов. Наше основное внимание сосредоточено на спутниковой квантовой связи. Спутниковые каналы связи жизненно важны для создания защищённой сети квантовой связи, поскольку они работают на расстояниях в несколько тысяч километров. Наземные оптоволоконные сети имеют ограничения по расстоянию.
Мы разрабатываем инструменты (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 установки квантовых коммуникационных каналов между Китаем и Южной Африкой микроспутник под названием Jinan 1 был выведен на низкую околоземную орбиту, а также была создана портативная оптическая наземная станция. Это мобильное устройство, оснащённое мощным телескопом и специальными детекторами, которые обнаруживают кодированные фотоны, отправленные со спутника.
Сверхзащищённое квантовое спутниковое соединение между Китаем и Южной Африкой было достигнуто во время одного прохода спутника над оптической наземной станцией. Это не только самое длинное квантовое спутниковое соединение, но и самое защищённое из всех, что были достигнуты. Ключ, состоящий из невозмущённых фотонов, включал 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 (возмущение 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 через оптические волокна или по каналам свободного пространства. 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 безопасную связь, квантовые вычисления и зондирование на континентах.
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 и передавать конфиденциальные данные.
Для политиков это шанс укрепить национальную безопасность и установить глобальные стандарты ответственного использования. Кроме того, инвестиции в исследования и образование для создания квалифицированной рабочей силы.
Это также способствует международному сотрудничеству, поскольку страны работают вместе для создания защищённой сети связи.
В целом, квантовые спутниковые каналы могут изменить способы общения в мире, сделав конфиденциальность и безопасность более надёжными, чем когда-либо прежде.
Источник: The Conversation.