Наши исследования в области квантовых технологий достигли нового прорыва, и квантовая сеть может стать реальностью

По сообщению Китайского университета науки и технологий, в последнее время ученые из этого университета, во главе с Пан Цзянвэем, достигли значительного прорыва в области исследований масштабируемых квантовых сетей. Ван Е, Ван Юн, Чжан Цянь, Пан Цзянвэй и другие совместно с Институтом квантовых технологий Цзиньань, Институтом микро-систем и информационных технологий Китайской академии наук, Гонконгским университетом, Тяньцзиньским университетом и другими исследователями создали базовые модули масштабируемого квантового реле, что делает возможным реализацию дальнодействующих квантовых сетей. В то же время, Бао Сяохуэй, Сюй Фэйху, Чжан Цянь, Пан Цзянвэй и другие совместно с Институтом квантовых технологий Цзиньань, Национальным университетом Сингапура и Университетом Ватерлоо в Канаде реализовали дальнодействующую высокоточную запутанность между однопроцессорными узлами, а также на этой основе преодолели расстояние передачи безучастных квантовых ключей (DI-QKD) более чем на 100 километров, что значительно продвинуло практическое применение этой технологии. Два достижения были опубликованы в авторитетных международных научных журналах «Nature» и «Science» 3 и 6 февраля по пекинскому времени.

Вышеуказанные прорывы являются еще одним важным достижением Китая в области квантовой связи и квантовых сетей после «Моцзи-1» — квантового спутника, и свидетельствуют о том, что оптоволоконные квантовые сети на основе квантовой запутанности начинают переходить от теоретических концепций к реальности, дополнительно укрепляя международное лидерство Китая в этой области.

Конечная цель науки о квантовой информации — создание эффективных и безопасных квантовых сетей: использование квантовых точных измерений для высокоточного восприятия информации, использование квантовой связи для безопасной и эффективной передачи информации, использование квантовых вычислений для экспоненциального ускорения обработки информации, что приведет к революционному скачку в познании материального мира. Основным элементом построения квантовой сети является дальнодействующая детерминированная передача квантовой запутанности; на базе квантовой запутанности можно не только обеспечить безопасную передачу классической информации с помощью квантового распределения ключей, но и обеспечить взаимодействие квантовой информации между квантовым компьютером и пользователем через квантовую невидимую телепортацию, что является единственным эффективным способом.

Рисунок 1. Схема квантовой сети

Внутренние потери оптоволокна приводят к экспоненциальному снижению эффективности передачи квантовой запутанности с расстоянием, что является крупнейшей проблемой при создании масштабируемых квантовых сетей. Например, при прямой передаче по стандартному оптоволокну длиной 1000 км сигнал ослабевает до 10^-20 от исходной интенсивности (один триллионный триллиона), что означает, что даже при запуске 10^9 запутанных фотонов в секунду, в среднем можно получить одну пару запутанных фотонов только за 300 лет.

Схема квантового реле — эффективное решение потерь при передаче по оптоволокну: например, на линии длиной 1000 км можно установить промежуточные станции каждые 100 км, на которых создается запутанность, а затем с помощью обмена запутанностью соединяются сегменты для эффективной передачи запутанности на большие расстояния. Используя этот метод, при той же скорости излучения можно получать 10^8 пар запутанных фотонов в секунду, что в 100 миллиардов раз превышает исходную эффективность. Поэтому квантовое реле всегда было важнейшим направлением исследований в области оптоволоконных квантовых сетей.

Рисунок 2. Принципиальная схема квантового реле.
(1) Создание запутанности между соседними узлами (например, A и B, B и C) с помощью интерференции фотонов.
(2) Выполнение обмена запутанностью в узле B, что позволяет установить запутанность между узлами A и C и далее.
(3) Многослойный обмен запутанностью расширяет расстояние запутанности поэтапно, в конечном итоге создавая запутанность между самым дальним узлом A и K.

Еще в 1998 году Пан Цзянвэй и его коллеги продемонстрировали соединение квантовой запутанности на международном уровне. После этого отечественные и зарубежные исследовательские группы достигли ряда важных успехов. Однако за последние 30 лет оставалась нерешенной одна важная техническая проблема: срок жизни запутанности значительно короче времени ее создания, что делало невозможным надежное создание запутанности в течение ее существования, а значит, и эффективное соединение запутанных состояний, что серьезно ограничивало масштабируемость квантового реле.

Для решения этой ключевой задачи команда исследователей из Китая разработала долговременное квантовое хранилище на основе ионических ловушек, высокоэффективный интерфейс ионических фотонов и протокол высокоточной запутанности, что позволило создать долговременную квантовую запутанность с временем жизни (550 миллисекунд), значительно превышающим время установления запутанности (450 миллисекунд), и тем самым успешно реализовать базовые модули масштабируемого квантового реле, делая возможным дальнодействующие квантовые сети.

Рисунок 3. Принципиальная схема базовых модулей масштабируемого квантового реле.
(1) Эксперимент состоит из долговременного квантового хранилища на основе ионических ловушек, высокоэффективного модуля преобразования частоты и модуля интерференции с высокой контрастностью.
(2) Скорость установления запутанности — 2.226 Гц, то есть время ожидания — около 450 миллисекунд.
(3) Время жизни запутанности — около 550 миллисекунд.

Одним из прямых применений дальнодействующей передачи запутанности является реализация квантовой секретной связи с максимально возможным уровнем безопасности в реальных условиях. Ранее существующие схемы квантовой секретной связи требовали точной калибровки параметров устройств для обеспечения безопасности, что было неудобно в практическом применении. Однако схема DI-QKD, основанная на запутанности, преодолела эти ограничения: даже при полном недоверии к квантовым устройствам, если стороны могут создать достаточно высококачественную запутанность и проверить нарушение неравенства Белла без уязвимостей, можно строго гарантировать безопасность ключа без точной калибровки параметров устройств. Поэтому DI-QKD получил высокую оценку одного из основателей квантовой криптографии, лауреата премии Волфа 2018 года, Жиля Брассара, как «Святой Грааль» в области криптографии.

Однако экспериментальная реализация DI-QKD сталкивается с очень строгими техническими требованиями. Для обеспечения удаленной запутанности необходимо одновременно выполнить следующие условия: (1) очень высокая эффективность обнаружения для устранения уязвимостей, связанных с детекторами; (2) поддержание очень высокого уровня точности запутанности для значительного нарушения неравенства Белла. Из-за потерь в длинных оптоволоконных линиях и системного шума большинство международных экспериментов ранее ограничивались короткими расстояниями (обычно от нескольких метров до нескольких сотен метров), что значительно уступает требованиям практических приложений.

На базе технологии масштабируемого квантового реле команда исследователей из Китая успешно реализовала дальнодействующую высокоточную запутанность между двумя ртутными атомами: на оптоволоконной линии длиной до 100 км запутанность между атомами сохраняется с точностью более 90%, что значительно превосходит предыдущие международные результаты. На основе этого команда реализовала в городской сети передачу квантового ключа без учета устройств: в 11-километровой линии проведен анализ безопасности и строгие доказательства на основе ограниченного объема данных, что увеличило максимальную дальность передачи примерно в 3000 раз; в 100-километровой линии продемонстрирована возможность генерации ключей, что превышает лучшие международные результаты более чем в два порядка.

Рисунок 4. Схема эксперимента DI-QKD на 100 км.
Двухузловые однопроцессорные атомы используют процесс генерации фотонов Ридберга для их излучения, фотон передается по длинной оптоволоконной линии к промежуточному узлу и интерферирует. После регистрации события предсказания оба атома проецируются в состояние дальнего запутанного состояния, что обеспечивает распределение запутанности. Затем оба узла проводят случайный базисный измерительный эксперимент, результаты которого используются для проверки неравенства Белла с целью подтверждения безопасности, а после проверки данные обрабатываются для получения безопасного ключа.

Вышеуказанные исследования поддерживаются национальными программами, фондами, Китайской академией наук, а также фондами провинций Аньхой, Хэфэй, Шаньдун, Цзиньань и Гонконга.

(Источник: Caixin)