Недавно в Китае была создана самая совершенная на сегодняшний день квантовая сеть связи масштабом с целый город. Многоузловая квантовая сеть, состоящая из трех устройств, соединенных с центральным сервером, позволяет подключать несколько пользователей, что является важным шагом на пути к созданию сверхбезопасных цифровых технологий.
Квантовые коммуникационные сети имеют общие черты с обычными аналогами, например, передачу информации по оптоволокну. Однако в отличие от обычных сетей, их невозможно взломать. Такая возможность обеспечивается децентрализованной квантовой запутанностью и способностью узлов сети хранить и обрабатывать информацию. Фактически в основе такого типа связи лежит квантовое распределение ключей (QKD), использующее квантовые состояния частиц для формирования бинарных цепочек (из 0 и 1), в которых любое нарушение будет немедленно обнаружено. В этом контексте фотоны, используемые в квантовых сетях, обладают свойствами, которые отсутствуют у фотонов, составляющих свет в обычных сетях.
Последние достижения в области технологии QKD позволяют передавать информацию на расстояния в несколько сотен километров. Однако при этом сохраняются значительные потери при передаче. Запутываясь в оптических каналах длиной в несколько десятков километров, квантовые узлы в мегаполисе могли бы умеренно снизить потери при передаче информации. Для этого необходимо разработать квантовые ретрансляторы (устройства для передачи квантовой информации на большие расстояния), способные преодолеть растущие потери при передаче. Вторая проблема заключается в расширении сети до масштабов мегаполиса. При этом необходимо не только снизить потери при передаче информации на уровне оптоволокна, но и обеспечить независимость квантовых узлов друг от друга.
Исследователи из Китайского университета науки и технологий предлагают преодолеть эти трудности с помощью новой многоузловой квантовой сети, адаптированной к условиям мегаполиса. От аналогичных сетей, разработанных ранее, эта отличается количеством пользователей, которые могут подключаться к ней через собственные квантовые процессоры. Ее отличают и такие ключевые инновации, как квантовые устройства памяти.
В квантовой сети сочетание таких устройств, как процессоры, оптические волокна и запоминающие устройства, является чрезвычайно сложным. Это связано с тем, что свойства фотонов должны быть изменены и перенастроены по отношению к многочисленным точкам сети. Это может привести к многочисленным сбоям. Сеть китайских исследователей, созданная в масштабах целого города и обеспечивающая беспрецедентное снижение потерь при передаче данных, представляет собой настоящий технический подвиг. Подробно вся система описана в документе, опубликованном на сервере arXiv.
Новая сеть состоит из трех квантовых узлов (прозвища Алиса, Боб и Чарли), связанных с узлом сервера и расположенных в виде треугольника. Три узла, расположенные в каждой вершине треугольника (длина каждой стороны которого составляет от 7,9 до 12,5 км), работают независимо друг от друга. Каждый из них имеет отдельный процессор и квантовую память. Сервер же находится в центре и соединяется с каждым узлом через оптическое волокно, обеспечивая как классическую, так и квантовую связь. Вся система разрабатывается на территории города Хэфэй, площадь которого составляет 7048 кв. км.
В каждом из трех квантовых узлов находится чрезвычайно холодный рубидиевый атомный узел, управляемый лазером. Выполняя роль долгоживущей квантовой памяти, он используется для генерации атомно-фотонной запутанности. В частности, фотоны отправляются на серверный узел для запутывания, а атомный кубит может быть сохранен для последующего использования.
Другими словами, каждый пользователь кодирует информацию в виде фотона и отправляет его на сервер. И если этот фотон будет потерян или испорчен в пути, квантовые узлы (Алиса, Боб и Чарли) смогут сохранить информацию, которую он должен был нести. Это будет первый случай использования квантовой памяти в сети такого масштаба.
Для уменьшения потерь фотонов (а значит, и информации) в волокне квантовые узлы оснащены модулем квантовой перестройки частоты (QFC), который позволяет когерентно перемещать их относительно атомного резонанса рубидия. Кроме того, они синхронизируются с помощью технологии удаленной фазовой стабилизации.
Протестировав сеть, исследователи смогли добиться чередования фотонов от двух удаленных узлов, причем время хранения превышало время передачи в обе стороны. Этот этап необходим для того, чтобы два ретранслятора могли безопасно обмениваться информацией. На втором этапе удаленная генерация запутанности была распространена на все три узла с одновременным выполнением. Это расширение означает, что несколько квантовых "дискуссий" могут происходить одновременно.
Однако скорость, с которой информация передается по сети Хэфэя, все еще необходимо увеличить, чтобы система могла быть действительно полезной. Передавая только один бит в секунду, он все еще далек от возможностей наших классических модемов. Чтобы сеть могла покрывать большее расстояние и поддерживать больше информации и узлов, необходимо улучшить квантовую память, а также продолжительность хранения.