Прорыв в области безопасной связи: достигнуто квантовое распределение ключей на расстоянии более 1000 км

Ученые из нескольких китайских учреждений установили новый мировой рекорд, достигнув квантового распределения ключей без ретрансляторов на расстоянии 1002 км. Это стало возможным благодаря использованию схемы квантового распределения ключей с двойным полем (TF-QKD), кабеля из оптоволокна со сверхмалыми потерями и сверхпроводящие однофотонные детекторы со сверхмалым уровнем шума. Данное достижение представляет собой важный шаг на пути к созданию высокоскоростных межгородских квантовых коммуникационных сетей. Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Квантовое распределение ключей (QKD) работает на основе принципов квантовой механики и позволяет безопасно передавать ключи между двумя отдаленными сторонами. Когда QKD используется с методом шифрования "одноразовый блокнот", он обеспечивает высокий уровень безопасности для конфиденциальной связи. Однако применимость QKD ограничена факторами, такими как потери в канале и системный шум.

В эксперименте была продемонстрирована схема TF-QKD с протоколом отправки-или-не-отправки (sending-or-not-sending, SNS), улучшающая зависимость скорости ключа от пропускной способности канала от линейной η до ее квадратного корня η. Таким образом, она может достичь гораздо большей дальности безопасности, чем традиционные протоколы QKD.

Для достижения дальнего действия QKD исследовательская группа сотрудничала с компанией Yangtze Optical Fibre and Cable Joint Stock Limited Company (YOFC), кабель из оптоволокна со сверхмалыми потерями на основе технологии чистого силикатного ядра, обеспечивающий минимальное затухание в 0,16 дБ/км. Институт SIMIT разработал сверхпроводящие однофотонные детекторы со сверхмалым уровнем шума. Применив фильтры при температурах 40К и 2,2К для подавления ложных срабатываний в отсутствие сигнала (dark counts), вызванных тепловым излучением, удалось снизить шум детекторов до около 0,02 cps. Команда также разработала двухдиапазонную схему оценки фазы, чтобы избежать шума от спонтанного комбинационного рассеяния (эффект Рамана), что позволило снизить системный шум до менее 0,01 Гц.

На основе вышеупомянутых технологических разработок команда достигла TF-QKD на рекордном расстоянии 1002 км со скоростью ключа 0,0034 бит/с. Эта работа не только подтверждает осуществимость схемы SNS-TF-QKD на чрезвычайно больших расстояниях, но и демонстрирует, что созданных протокол может обеспечить высокие скорости ключей во многих практических сценариях. Успех исследования имеет важное значение для продвижения безопасной квантовой связи.