Квантовая связь: дальность растёт

Российские исследователи разработали  принципиально новую систему квантовой связи для защищенного обмена данными на большое расстояние.

Исследователи из Санкт-Петербургского университета Информационных технологий, механики и оптики (ИТМО) создали систему квантовой связи для защищенной передачи данных на основе принципиально нового подхода. Система позволит передавать данные на расстояния более 250 километров, что не уступает самым современным зарубежным устройствам.  Результаты исследования  опубликованы в журнале Optics Express.

Желание защитить информацию возникло одновременно с появлением письменности. Но в наше время, когда значительная часть коммерческой, технологической, да и просто личной информации передается в цифровом виде,  важность сохранения секретности возросла неимоверно. 

На сегодняшний день разработано большое число криптографических методов защиты информации. Однако традиционные шифры, основанные на математических методах, могут быть взломаны с использованием современных компьютерных технологий. Это лишь вопрос времени. На помощь может прийти квантовая криптография, обеспечивающая полную секретность передачи информации благодаря законам физики. Информация в квантовых системах связи передается одиночными фотонами, которые нельзя незаметно «похитить» или скопировать, поскольку любое воздействие на фотон изменяет его.

Проблема разработчиков квантовой связи  заключается в эффективной и надежной передаче фотона по оптоволоконной линии, так как по дороге на него может воздействовать множество факторов, которые приведут к его разрушению. Причем, чем длиннее линия связи, тем больше вероятность «поломки» фотона».

Исследователи из университета ИТМО создали систему квантовой связи на основе кодирования квантовой информации на так называемых боковых частотах. Этот принцип, предложенный в свое время сотрудником университета Юрием Мазуренко, заключается в передаче не одного синусоидального колебания с заданной частотой, а нескольких независимых волн с разными частотами (спектра). Кодирование в этом случае осуществляется не основной синусоидой, а параметрами вспомогательной синусоиды – ее частотой смены фазы, фазовым положением. Другими словами квантовая информация передается отстройкой дополнительных частот в спектре относительно центральной частоты. В линии связи могут существовать помехи, которые изменяют параметры передаваемых сигналов и приводят к ошибкам при приеме информации. При передаче информации сигналом только одной частоты невозможно узнать, связано ли его изменение с кодированием, осуществленным отправителем, или со случайной помехой на линии. Это не позволяет обнаружить ошибку. В новом методе все частоты спектра передаются единым импульсом, и при наличии помехи на линии связи все они изменятся синхронно, сохранив сдвиг, кодирующий информацию.

Такой подход дает много преимуществ. В частности, он  упрощает конструкцию устройства, обеспечивает высокую устойчивость к внешним воздействиям и большую пропускную способность канала связи. По скорости и дальности передачи информации разработанная система сопоставима с абсолютными рекордами в области квантовой коммуникации. Кроме того, данный метод способен обеспечить передачу в одном оптоволоконном кабеле большого числа потоков данных на разных частотах. Более того, такие потоки могут подаваться на существующие линии связи одновременно с традиционными сигналами. 

В дальнейшем разработчики собираются создать полноценную квантово-криптографическую систему связи и подготовить стандарты, которые позволят осуществить её внедрение.

По материалам Университета ИТМО