Квантовые коммуникации быстро превратились в практические крупномасштабные сети, основанные на квантовом распределении ключей , которые возглавляют этот процесс. Системы распределения квантовых ключей обычно включают отправителя «Алису» и получателя «Боб», которые генерируют общий секрет на основе квантовых измерений для безопасной связи. Хотя волоконно-оптические системы хорошо подходят для мегаполисов, подходящая волоконно-оптическая инфраструктура не всегда может быть на месте.
В новом отчете в npj Quantum Information Андрей Кржич и группа ученых разработали квантовую сеть в свободном пространстве, основанную на запутанности . Платформа предложила практичную и эффективную альтернативу для городских приложений. Команда представила систему распределения квантовых ключей в свободном пространстве, чтобы продемонстрировать ее использование в реальных приложениях в преддверии работы по созданию сетей в свободном пространстве в качестве жизнеспособного решения для городских приложений в будущем глобальном квантовом Интернете.
Квантовая сеть связи
Квантовая коммуникация обычно направлена на распространение квантовой информации между двумя или более сторонами . Ряд революционных применений квантовых сетей стал дорожной картой для разработки полноценного квантового Интернета . Предлагаемое изобретение обеспечивает гетерогенную сеть подсетей специального назначения с разнообразными ссылками и межсоединениями. Концепция сетей распределения квантовых ключей привела к тому, что эта разработка открыла путь для других методов распределенной квантовой обработки информации, позволяющих оценить технологическую зрелость квантовых сетей в целом.
В этой работе Кржич и его коллеги описали архитектуру столичной сети свободного пространства для обеспечения безопасности связи на саммитах, конференциях и других мероприятиях с дополнительными возможностями, дополняющими уже существующую сетевую инфраструктуру при отсутствии сквозных оптоволоконных соединений. Квантовые физики построили архитектуру вокруг центрального сервера запутанности, который передает запутанные фотоны пользователям сети.
Они создали ключевые строительные блоки этой архитектуры, в том числе портативный источник запутанных пар фотонов с высокой видимостью, подходящий для городских приложений, со специальной фильтрацией для дневных функций. Физики провели эксперименты по распределению квантовых ключей в реалистичных сценариях на расстоянии 1,7 км с квантовой безопасностью, чтобы продемонстрировать способность достигать рекордных скоростей в килобайтах в секунду ночью и средь бела дня.
Квантовая сеть на основе запутанности
Исследователи разработали сетевую архитектуру, в которой источник запутанных фотонов позволял серверу передавать запутанность в сеть городского масштаба, построенную из каналов свободного пространства. Ученые решили разместить сервер запутывания в центральном высотном здании.
У каждого пользователя была подсистема квантового приемника для определения анатомии квантового состояния, и команда с готовностью расширила размер сети, введя несколько серверов запутанности, соединенных между собой через центральный доверенный режим для распространения запутанности среди пользователей. Физики ожидают, что серверы запутанности будут функционировать как удобный интерфейс для подключения городской сети свободного пространства к оптоволоконной магистрали более крупной междугородной сети.
Система распределения квантовых ключей в свободном пространстве между Алисой и Бобом
Кржич и его команда разработали систему квантовой связи, специально предназначенную для городских приложений, которая состояла из ключевых строительных блоков, необходимых для реализации квантовой сети в свободном пространстве на новом объекте менее чем за день. Платформе не требовалась предварительная инфраструктура, кроме доступа к электричеству. Система напоминала сегмент сети Алиса-Боб, где серверы запутанности генерировали пары поляризационно запутанных фотонов на длине волны 810 нм: один был отправлен Алисе по одномодовому волокну, а Боб получил другой по каналу связи в свободном пространстве.
Система стабилизации с обратной связью способствовала долгосрочному функционированию, при этом и Боб, и Алиса владели подсистемой квантового приемника . Версия Боба имела специально разработанные модули спектральной и пространственной фильтрации для работы при дневном свете, в то время как версия Алисы не требовала специальной фильтрации шума дневного света. Команда реализовала классический канал между подсистемой квантового приемника Алисы и Боба с помощью коммерческих радиоантенн.
Производительность системы днем и ночью
Квантовые инженеры использовали систему для установления квантовой связи между местом в Йене (Германия) и временным контейнером на крыше здания общественного обслуживания на расстоянии 1,7 км. Они сравнили производительность системы с частотой ошибок в квантовых битах и достижимой скоростью безопасного ключа для двух экспериментов днем и ночью с контрастно более высоким фоновым шумом . Ученые разделили обнаруженную Бобом скорость счета на вклады сигнала и фонового шума, включая солнечную радиацию, измеренную метеостанцией.
Команда провела ночной эксперимент 2 марта 2022 года, чтобы продемонстрировать стабильную производительность с частотой ошибок по квантовым битам менее 2% при средней скорости безопасного ключа 5,4 Кбит/с в течение нескольких часов. Производительность системы варьировалась в большей степени; например, когда команда подвергла линию воздействию прямых солнечных лучей, обнаруженная скорость шума достигла значений, превышающих 400 килоотсчетов фотонов в секунду (кцпс). В следующие несколько часов, когда небольшие облака пересекли солнце, фоновый шум уменьшился, чтобы восстановить работоспособность платформы, в результате чего он менялся прямо в результате солнечного света.
Команда смоделировала сценарий, чтобы оценить производительность двух независимых каналов свободного пространства от серверов запутанности до Алисы и Боба. В ночное время они отметили скорость безопасного ключа более 1,1 Кбит/с. Когда команда развернула эту систему в июле 2021 года, они установили канал распределения квантовых ключей в свободном пространстве между двумя офисами, расположенными на расстоянии 300 м друг от друга в Бонне, Германия, для достижения одинаковых ключевых ставок в ночное и дневное время.
Перспективы
Таким образом, Андрей Кржич и его команда разработали архитектуру квантовой сети в свободном пространстве, основанную на запутанности, как жизнеспособное решение для мегаполисов. Они достигли безопасной скорости до 5,7 Кбит/с в различных условиях, что свидетельствует о его способности функционировать круглосуточно и без выходных, обеспечивая полное покрытие города.
Далее они исследовали многомерную запутанность, чтобы обеспечить более высокую информационную емкость на фотон с большей безопасностью и повышенной устойчивостью к шуму. Распределение запутанности лежит в основе множества приложений, помимо квантового распределения ключей, включая квантовую синхронизацию часов и квантовую криптографию.
Теги: квант, связь
