Наші дослідження квантових технологій досягли нових проривів, можливий перехід квантової мережі до реальності

Згідно з повідомленням Китайського університету науки і технологій, недавно Китайський університет науки і технологій Пан Цзянвей та його колеги досягли значного прориву у дослідженні масштабованих квантових мереж. Ван Є, Ван Юн, Чжан Цянь, Пан Цзянвей та інші у співпраці з Інститутом квантових технологій у Цзиньані, Інститутом мікросистем і інформаційних технологій Китайської академії наук, Гонконгським університетом, Тяньцзінським університетом та іншими дослідниками, створили базовий модуль для масштабованого квантового ретранслятора, що робить можливим реалізацію квантової мережі на великі відстані. У той же час, Бао Сяохуей, Сюй Фейху, Чжан Цянь, Пан Цзянвей та інші у співпраці з Інститутом квантових технологій у Цзиньані, Національним університетом Сінгапуру, Університетом Ватерлоо в Канаді та іншими дослідниками, реалізували високоточне заплутування між однопрохідними вузлами на відстані, а також на цій основі прорвали межу у понад сотню кілометрів для передачі квантового ключа без врахування пристроїв (DI-QKD), значно прискоривши практичне застосування цієї технології. Обидва досягнення були опубліковані 3 і 6 лютого за київським часом у авторитетних міжнародних наукових журналах «Nature» та «Science».

Ці прориви є ще одним важливим досягненням у галузі квантової комунікації та квантових мереж у Китаї після запуску квантового супутника «Моцзі», що ознаменовує перехід від теоретичних концепцій до реальних можливостей створення квантової мережі на основі квантового заплутування, що ще більше підсилює міжнародну перевагу Китаю у цій галузі.

Кінцева мета науки про квантову інформацію — побудова ефективної та безпечної квантової мережі: використання точних квантових вимірювань для високоточного сприйняття інформації, застосування квантового зв’язку для безпечної та ефективної передачі даних, використання квантових обчислень для експоненційного прискорення обробки інформації, що спричинить революційний прорив у розумінні матерії. Основним елементом побудови квантової мережі є віддалене визначене розповсюдження квантового заплутування, яке, базуючись на квантовому заплутуванні, дозволяє не лише безпечну передачу класичної інформації через розповсюдження квантового ключа, а й забезпечує єдиний ефективний спосіб обміну квантовою інформацією між квантовим комп’ютером і користувачем через квантове невидиме перенесення.

Рисунок 1. Схема квантової мережі

Внутрішні втрати оптоволокна призводять до експоненційного зниження ефективності передачі заплутування з відстанню, що є найбільшою проблемою при створенні масштабованої квантової мережі. Наприклад, при передачі через стандартне оптоволокно довжиною 1000 км сигнал слабшає до 10^-20 від початкової сили (один трильйонний трильйонної частки), що означає, що навіть при випуску 10^9 пар заплутаних фотонів щосекунди, у середньому можна отримати одну пару заплутаних фотонів лише раз на 300 років.

Схема квантового ретранслятора — ефективне рішення для подолання втрат у оптоволоконі: наприклад, у лінії довжиною 1000 км можна кожні 100 км встановити ретрансляційні станції, на яких створюється заплутування, а потім за допомогою обміну заплутуванням з’єднати сегменти для ефективної розповсюдженості заплутування на великі відстані. Використовуючи цей метод, при однаковій швидкості випуску світла можна отримати 10^8 пар заплутаних фотонів щосекунди, що на 100 мільярдів разів перевищує попередні показники. Тому ретрансляція залишається найважливішим напрямком досліджень у квантових мережах.

Рисунок 2. Принципова схема квантового ретранслятора. (1) Створення заплутування між сусідніми ретрансляційними вузлами (наприклад, між A і B, B і C тощо) через інтерференцію фотонів. (2) Виконання обміну заплутуванням у вузлі B для встановлення заплутування між вузлами A і C, і так далі. (3) Послідовне розширення заплутування за допомогою багаторівневого обміну, що в кінцевому підсумку дозволяє створити заплутування між найвіддаленішими вузлами A і K.

Ще у 1998 році Пан Цзянвей та його колеги продемонстрували у світі з’єднання квантового заплутування. Після цього міжнародні дослідницькі колективи зробили низку важливих проривів. Однак протягом майже 30 років залишалася нерозв’язаною одна з головних технічних проблем: тривалість заплутування значно коротша за час його створення, що ускладнює визначене створення заплутування поруч із ним, і, відповідно, ускладнює ефективне з’єднання заплутаних станів, що серйозно обмежує масштабованість квантового ретранслятора.

Щоб подолати цю проблему, команда дослідників Китайського університету науки і технологій розробила довговічний іонний квантовий пам’ятник із високою ефективністю, а також високоточний протокол заплутування з високою точністю, що дозволило створити довговічне квантове заплутування (тривалість 550 мс), що значно перевищує час створення заплутування (450 мс), і, таким чином, побудувати базовий модуль масштабованого квантового ретранслятора, що робить можливим створення квантової мережі на великі відстані.

Рисунок 3. Принципова схема базового модуля масштабованого квантового ретранслятора. (1) Експеримент складається з довговічного іонного квантового пам’ятника, високоефективного модуля перетворення квантової частоти та висококонтрастного інтерференційного модуля для фотонів. (2) Швидкість створення заплутування становить 2.226 Гц, тобто час очікування — близько 450 мс. (3) Тривалість заплутування — приблизно 550 мс.

Безпосереднім застосуванням віддаленого розповсюдження заплутування є реалізація найвищого рівня безпеки квантової секретної комунікації у реальних умовах. Раніше для цього потрібно було точно калібрувати параметри пристроїв, що ускладнювало практичне застосування. Однак, базуючись на заплутуванні, протокол «器件无关量子密钥分发 (DI-QKD)» подолав цю обмеженість: навіть якщо пристрої цілком недовірливі, достатньо створити високоякісне заплутування і перевірити порушення нерівності Белла, щоб гарантувати безпеку ключа без необхідності точного калібрування пристроїв. Тому DI-QKD отримав високу оцінку від одного з засновників квантової криптографії, лауреата премії Вольфа 2018 року Гільєса Брасарада, який назвав його «Святим Граалем» у криптографії, що прагнули знайти вже понад тисячу років.

Однак реалізація DI-QKD у лабораторних умовах вимагає дуже високих технічних стандартів. Для успішної реалізації потрібно, щоб квантове заплутування між віддаленими вузлами відповідало кільком умовам: (1) дуже високий рівень детекції для ефективного закриття вразливості через детекторні недоліки; (2) збереження високої точності заплутування для значущого порушення нерівності Белла. Через втрати у довгих оптоволоконних лініях і шум системи, більшість попередніх експериментів були обмежені короткими відстанями (зазвичай кілька метрів до кількох сотень метрів), що суттєво відрізняється від практичних потреб.

Застосовуючи технології масштабованого квантового ретранслятора, команда дослідників Китайського університету науки і технологій додатково успішно реалізувала високоточне заплутування між двома довгими цезієвими атомами: на оптоволоконній лінії довжиною до 100 км заплутування зберігається з точністю понад 90%, що значно перевищує попередні міжнародні результати. На цій основі команда реалізувала безпристроєве розповсюдження квантового ключа на міських оптоволоконних лініях: у 11-кілометровій лінії проведено аналіз безпеки з обмеженою кількістю даних і строгі доведення, що підвищує максимальну відстань передачі приблизно у 3000 разів порівняно з попередніми результатами; у 100-кілометровій лінії продемонстровано можливість генерації ключів, що перевищує рівень найкращих міжнародних експериментів у два порядки.

Рисунок 4. Схема експерименту DI-QKD на 100 км. Два кінцеві вузли з однопрохідними атомами генерують фотони через процес Рідберга, які передаються через довгі оптоволоконні лінії до центрального вузла і інтерферують. Після виявлення передбачуваної події атоми на кінцях проектуються у стан заплутаності на відстані, що реалізує розповсюдження заплутування. Потім обидва кінці виконують випадковий вимір у різних базах, результати яких використовуються для перевірки нерівності Белла з метою підтвердження безпеки, а після перевірки дані обробляються для створення безпечного ключа.

Обидва дослідження підтримуються державними програмами, Національним фондом природних наук, Китайською академією наук, а також урядами провінцій Аньхой, Хефей, Шаньдун, Цзіньань і Гонконгу.

（Джерело: Caixin）