Как показывают эксперименты китайских ученых, уже сейчас принципиально возможно создание глобальных квантовых криптографических систем, позволяющих осуществлять передачу данных с использованием спутников.

Рис.1. "География" эксперимента: отправитель (sender) располагается на холме, а получатели (Алиса и Боб) - в нескольких километрах от него и в 10.5 км друг от друга. На вставках фотографии телескопов.

В последнее десятилетие бурно развивается новая область науки, которую условно можно назвать "квантовая информация". В ее состав входят такие новые дисциплины, формирующиеся на стыке разных наук, как квантовые вычисления и квантовая криптография. Если первая область пока еще далека от реализации практических приложений, то вторая, задача которой состоит в обеспечении полной конфиденциальности передаваемой информации, уже начинает входить в прикладную стадию. "Гарантом" абсолютной секретности передачи информации в квантовой криптографии выступает квантовая механика, запрещающая точно копировать (клонировать) квантовое состояние объекта, оставляя при этом сам объект в том же состоянии, в каком он находился до попытки клонирования. Это дает возможность, работая с отдельными фотонами или парами запутанных (сцепленных) фотонов ), случайным образом генерировать "одноразовый" ключ, который в дальнейшем используется для передачи информации по открытому каналу (подробности см. в нашей новости "Квантовая криптография или каждый (фотон) умирает в одиночку" ).

Однако понятно, что в случае квантовых систем передачи информации технические требования гораздо более строги, чем в случае обычных, классических систем: речь ведь идет о работе с отдельными фотонами или парами отдельных фотонов. Использование оптоволоконных линий связи в настоящее время позволяет производить передачу подобной квантовой информации на расстояние не более 100 км (это связано с потерями в оптоволокне и неизбежно имеющими место темновыми отсчетами фотодетекторов), что делает невозможным генерацию ключа для связи между разными странами и, тем более, континентами. Возможной альтернативой оптоволокну является передача информации в свободном пространстве (через атмосферу и космическое пространство). Вопрос в том, насколько реально реализовать этот вариант квантовой коммуникации, даже если абстрагироваться от плохих метеоусловий (туман, облачность). Хотя потери в космосе должны быть очень малы, фотонам в такой схеме необходимо проходить сквозь земную атмосферу, что неизмежно связано с потерями. Кроме того, регистрироваться будут не только "нужные" фотоны, но и "паразитные" фотоны, случайным образом попадающие на детектор. Эксперименты китайских ученых доказывают, что, несмотря на все трудности, принципиальная возможность реализации подобных глобальных спутниковых систем передачи информации существует [1].

Исследователи из университета города Хэфей провели эксперимент по передаче отдельных фотонов из пар запутанных фотонов, генерируемых "отправителем", двум получателям, разделенных расстоянием в 10.5 км (рис.1). Пары запутанных фотонов генерировались при прохождении лазерного излучения с длиной волны 351 нм через кристалл BaB₂O₄ - при этом из-за наличия нелинейности происходит спонтанный параметрический распад части фотонов, в результате которого образуются два связанных в квантово-механическом смысле (запутанных, сцепленных) фотона с энергией, примерно равной половине энергии родительского фотона. Один из этих фотонов направлялся с вершины холма, где базировался отправитель, получателю, находящемуся в университетском кампусе на расстоянии 7.7 км от отправителя, а второй - получателю, расположенному на крыше здания в одном из районов города (на расстоянии 5.3 км от отправителя). Получатели (Алиса и Боб) не видели друг друга из-за множества расположенных между ними зданий, а общее расстояние, проходимое двумя фотонами, составляло 13 км, что превышает эффективную толщину атмосферы (примерно 10 км).

Рис.2. Блок-схема эксперимента (вверху) и схематическое изображение оптической системы получателя (внизу).

Связь осуществлялась с помощью системы из нескольких телескопов-рефракторов, в оптическую систему получателей были включены интерференционные фильтры, позволяющие пропускать излучение в узком диапазоне вблизи требуемой длины волны 702 нм, что позволяло резко уменьшить число срабатываний фотодетекторов из-за наличия достаточно интенсивного светового фона в городе (рис.2). Эксперименты проводились ночью, и в их ходе удалось достичь скорости распределения ключа примерно 10 бит/с. Хотя это и не слишком высокая скорость, но использование более интенсивных источников пар запутанных фотонов и усовершенствование оптической системы позволит, по мнению исследователей, резко увеличить скорость распределения секретного кода и сделает возможным использование глобальных спутниковых систем квантовой коммуникации даже в дневное время (если, конечно, позволяют метеоусловия).

1. Cheng-Zhi Peng, Tao Yang, Xiao-Hui Bao et al. Phys.Rev.Lett., v.94, 150501 (2005).

Е.Онищенко