(Работа принята к публикации в журнале Physics Review X, а краткое содержание пересказывают NatureNews и BBC News. )

Обычно для передачи квантовых ключей используют специально выделенные оптические каналы. Это связано с тем, что сообщение в ключе кодируется поляризацией отдельных фотонов. Чтобы ее измерить, требуется отсутствие шума от посторонних частиц света в оптическом волокне. (Ключами в криптографии называются небольшие сообщения, используемые для расшифровки больших объемов данных. Квантовые ключи отличаются от обычных тем, что не могут быть незаметно перехвачены злоумышленником, потому что перехват требует измерения квантового состояния, а оно при этом разрушается.)

Применяя новую систему фильтрации, квантовую связь можно вести даже по существующим загруженным оптическим каналам. Технология основана на расчете времени, которое требуется фотону на преодоление расстояния от излучателя до приемника. Зная момент, когда должен появиться фотон, можно выделить на его измерение узкое временное окно и отбросить все частицы, которые в него не укладываются.

Однако ширина такого окна не должна превышать 0,1 наносекунды, т.е. в десять раз меньше, чем используется при обычном измерения. Чтобы избежать ограничения, одно измерение в узком окне проводится каждую наносекунду, и сравнением пустых и полных окон определяатся поляризация частиц.

В итоге мегабитный канал пересылки квантовых ключей достиг длины 90 километров. В используемом оптическом волокне шла стандартная передача данных.

Установлена квантовая связь с летящим самолетом

Впервые проведена передача секретного ключа по квантовому каналу между наземной станцией и самолетом.

(Результаты испытания представлены в докладе на конференции QCrypt в Сингапуре, кратко о них пишет New Scientist.)

Передатчик был установлен на летящем самолете, приемник находился на крыше исследовательского центра на расстоянии 20 километров. Скорость полета была около 300 километров в час, а его угловая скорость приблизительно соответствовала движению коммуникационных спутников. Сеанс связи занял 10 минут. За это время по квантовому каналу удалось передать 10 килобайт данных.

Передачу вел инфракрасный лазер, а зеркала, установленные на самолете и указаной крыше, постоянно корректировали направление луча. В зависимости от угла, под которым посылался лазерный луч, вносились изменения в способ передачи сигналов. Это позволило снизить уровень ошибок до менее 5 процентов.

Обмен ключом по квантовому каналу позволяет добиться организации практически неуязвимой для злоумышленников секретной связи. Устойчивость этого канала к подслушиванию основывается на том, что секретный ключ передается отдельными фотонами или их небольшими группами. Попытки перехвата сообщении становятся сразу заметны (измерение необратимо разрушает фотоны), и сообщения игнорируются. По квантовому каналу передаются только данные о ключе. Само сообщение, зашифрованное при помощи этого ключа, передается по обычному открытому каналу.

Европейцы побили китайский рекорд по квантовой телепортации

Установлен новый рекорд дальности квантовой телепортации: спутанные фотоны переданы на расстояние 143 километра.

Сообщение об этом было опубликовано в препринте статьи на сайте Корнельского университета менее чем через десять дней после того, как китайские ученые поставили предыдущий рекорд, создав 97-километровый квантовый канал.

Сложнее всего для европейских инженеров было создать надежную систему удаления шума, которая могла бы "выловить" отдельные запутанные фотоны из потока. Для этого авторы, среди прочего, разработали метод более точной синхронизации атомных часов между приемником и передатчиком. Это позволило сузить окно передачи фотонов со стандартных 10 до 3 наносекунд и соответственно уменьшить уровень шума.

Передача информации была организована между островами Ла Пальма и Тенерифе над водами Атлантического океана. Как всегда в экспериментах по квантовой телепортации, использовались два канала – квантовый (для передачи запутанных фотонов) и классический (по которому передавалась информация, необходимая для завершения туннелирования).

Таким образом, обе группы – европейская и китайская – вплотную приблизились к созданию спутниковой системы квантовой коммуникации.

Ученые, работающие над квантовой телепортацией, надеются, что ее осуществление позволит организовать канал связи, практически неуязвимый для прослушивания.

В случае удачного завершения экспериментов, одним из первых применений спутниковой квантовой коммуникации станет организация защищенной информационной сети для посольств.

Фотонная пушка для квантовой коммуникации

Немецкие физики создали фотонную пушку, способную испускать единичные фотоны различных длин волн. Подобные устройства могут стать незаменимыми для организации квантовой связи, неприступной для хакерских атак.

(Препринт работы доступен в архиве Корнельского университета.)

Эта пушка представляет собой дискообразный кристалл ниобата лития, облучаемый лазером. Он закачивает в кристалл фотоны с длиной волны 532 нанометра. Фотоны скапливаются, отражаясь от стенок кристалла, и из-за его особых свойств могут распадаться на два фотона с близкой, но немного разной длиной волны около 1060 нанометров.

Все фотоны покидают кристалл тремя группами. Исходные с волной 532 нанометра игнорируются, а пары длинноволновых разделяются: один из фотонов используется для коммуникации – отправляется принимающей стороне. А второй служит сигналом, что первый готов к отправлению.

Необходимость одиночных фотонов для коммуникации возникает из-за проблемы подслушивания. Дело в том, что все современные существующие лазеры испускают фотоны "пачками". Если они используются для передачи информации, то часть фотонов из "пачки" может быть перехвачена злоумышленником таким образом, что принимающая сторона этого не заметит. Если для передачи сообщения используется только один фотон, он уйдет на подслушивание и наличие злоумышленника будет сразу обнаружено.

Кроме того, поскольку образование фотонов – процесс случайный, необходимо использовать именно пары фотонов, чтобы по наличию одного из них знать, что второй отправился принимающей стороне.

Нагревая или охлаждая кристалл ниобата лития, можно изменять длину волны генерируемых фотонов в диапазоне ста нанометров. Используя панель таких кристаллов, можно будет во много раз увеличить скорость передачи сигналов по одному каналу.

Фотоны влияют на прошлое

Физики из Венского университета впервые реализовали парадокс, описанный Ашером Пересом. Суть парадокса в том, что на состояния запутанных частиц влияют решения из будущего.

(Статья ученых появилась в журнале Nature Physics, а ее препринт доступен на сайте arXiv.org.)

Квантовые состояния частиц, в отличие от их классических аналогов, имеют вероятностную природу. Это означает, что если у такой частицы было два классических состояния, то ее квантовое состояние может быть суперпозицией двух. То есть, при измерении с некоторой вероятностью p будет получаться одно состояние и с вероятностью 1-p - другое. Запутанными называются частицы, у которых состояния находятся в суперпозиции. Это означает, что измерение состояния одной однозначно определяет состояние второй частицы.

Суть эксперимента заключается в следующем. Берутся две пары запутанных фотонов и делятся между тремя участниками эксперимента – Виктором, Бобом и Алисой. Виктор оставляет себе по одному фотону из каждой пары, а остальные рассылает Бобу и Алисе. После этого последние выполняют измерения состояний фотонов, лишая их, в некотором смысле, квантовых свойств. Участники эксперимента даже могут избавиться от этих частиц.

Вместе с тем, какой тип корреляции (взаимосвязи) между фотонами – классический или квантовый, то есть запутанный – можно определить только после того, как Виктор решит, что ему делать с его фотонами. Он может их измерить по отдельности, а может запутать. Таким образом, в некотором смысле квантовая механика способна "имитировать воздействие из будущего". Пока Виктор не выполнил измерение, фотонам Боба и Алисы нельзя присвоить корректно определенные квантовые состояния.