Цивилизация
###1###Развитие экспериментальной квантовой физики в последние десятилетия привело к интересным результатам. Абстрактные идеи постепенно находят практическое применение. В области квантовой оптики это, прежде всего, создание квантового компьютера и телекоммуникаций на основе квантовой криптографии – технология, наиболее близкая к реализации.
Современные оптические линии связи не гарантируют конфиденциальность передаваемой информации, поскольку по оптоволоконным линиям движутся миллионы фотонов, во многом дублирующих друг друга, и часть из них можно перехватить незаметно для адресата.
Квантовая криптография использует в качестве носителя информации одиночные фотоны, поэтому при их перехвате они не дойдут до адресата, что сразу же станет сигналом о происходящем шпионаже.
Чтобы скрыть перехват, шпион должен измерить квантовое состояние фотона (поляризацию или фазу) и послать адресату «дубликат». Но согласно законам квантовой механики это невозможно, поскольку любое произведенное измерение изменяет состояние фотона, то есть не дает возможности создать его «клон».
Это обстоятельство гарантирует полную секретность передачи данных, поэтому подобные системы постепенно начинают использоваться в мире секретными службами и банковскими сетями.
Первый протокол квантовой криптографии изобрели американские ученые Чарльз Беннет и Джил Брассард в 1984 году, поэтому его называют ВВ84. Спустя пять лет они создали такую систему в исследовательском центре IBM, разместив передатчик и приемник в светонепроницаемом кожухе на расстоянии всего 30 см друг от друга. Система управлялась с персонального компьютера и позволяла обмениваться по воздушному каналу (без кабеля) секретным ключом со скоростью 10 бит/с.
Очень медленно и совсем недалеко, но это был первый шаг.
Суть протокола ВВ84 в передаче фотонов с поляризацией в четырех возможных направлениях. Два направления вертикально-горизонтальных и два диагональных (под углами плюс-минус 45 градусов). Отправитель и получатель договариваются, что, допустим, вертикальная поляризация и поляризация под углом плюс 45 градусов соответствуют логическому нулю, а горизонтальная и минус 45 градусов – единице. Затем отправитель посылает адресату последовательность одиночных фотонов, поляризованных в одном из этих направлений случайным образом, а адресат по открытому каналу связи сообщает, в какой системе координат (поляризаций) он измерил полученные лучи, но не сообщает результат своих измерений. Поскольку каждый фотон может быть как нулем, так и единицей, для перехватчика эта открытая информация бесполезна. Отправитель сообщает, верно ли выбрана система координат для каждого фотона. Затем они записывают совпавшую последовательность, которая и становится для них готовым двоичным кодом – секретным ключом расшифровки данных. Теперь все зашифрованные данные можно передавать по открытым сетям.
Изобретение вызвало огромный интерес во всем мире.
Кодирование фотонов по поляризациям используется в экспериментальных атмосферных линиях связи, поскольку при распространении излучения через атмосферу поляризация излучения изменится незначительно, а для подавления солнечного или лунного света применяют спектральные, пространственные и временные фильтры. В первой экспериментальной установке в 1992 году расстояние между передатчиком и приемником (длина квантового канала) было всего 30 см, в 2001 году — уже почти 2 км. Еще через год за рубежом продемонстрировали передачу ключа на расстояния, превышающие эффективную толщину атмосферы, – 10 км и 23 км. В 2007-м ключ передали на 144 км, а в 2008-м отраженный однофотонный сигнал от лазерного импульса со спутника был зарегистрирован на Земле.
Для генерации одиночных фотонов используется сильно ослабленное излучение полупроводниковых лазеров. Но можно применить и источники одиночных фотонов – однофотонные излучатели на квантовых точках, разработанные в Институте физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН. Это полупроводниковые структуры, позволяющие выделять излучение только одной квантовой точки. Поскольку для секретности передачи нужно не более одного фотона в каждом лазерном импульсе, то к фотодетекторам приемного узла предъявляются высокие требования. Они должны обладать достаточно высокой вероятностью регистрации (более 10%), малыми шумами и высокой скоростью счета.
Однофотонными детекторами могут служить лавинные фотодиоды, которые отличаются от обычных усилением электрических импульсов: в обычных фотодиодах на один падающий фотон рождается не больше одного электрона, а в лавинных фотодиодах – тысячи.
Чтобы снять эти шумы, их (детекторы) необходимо охлаждать до минус 50 градусов Цельсия специальным полупроводниковым микрохолодильником.
Но охлаждение увеличивает вероятность дополнительных паразитных шумов после срабатывания фотодиода. Поэтому лучший вариант — быстро «гасить» возникающую лавину зарядов, чтобы детектор был готов к приему следующего одиночного фотона. Для этого применяют импульсное питание, которое поддерживает на детекторе напряжение ниже порогового, а каждый раз при прохождении одиночного фотона повышает его на время порядка одной наносекунды. Это позволяет увеличить тактовую частоту лазерных импульсов до 2 ГГц и получить скорость счета фотонов в сотни мегагерц.
Но можно применять и сверхпроводящие детекторы из набора нанопроволок толщиной около 50 нм. Такие структуры находятся в переходном режиме от проводящего к сверхпроводящему. Прохождения одного фотона через этот детектор и его поглощения достаточно, чтобы разогреть нанопроволоки и изменить ток через них. По изменению тока регистрируется пришедший фотон. Сверхпроводящие детекторы гораздо меньше «шумят», чем лавинные фотодиоды. Зарубежные эксперименты со сверхпроводящими детекторами продемонстрировали максимальную дальность передачи квантового ключа — 250 км по сравнению со 150 км при использовании лавинных фотодиодов. Основной сдерживающий фактор для серийного применения сверхпроводящих детекторов – необходимость их глубокого охлаждения с помощью дорогостоящих гелиевых криостатов.
Дальность и скорость передачи информации ограничены возможностями оптоволоконных линий связи, эффективностью детекторов и уровнем их шумов.
Максимальная дальность передачи информации с помощью технологии квантовой криптографии по оптоволокну около 150 километров, но при таком расстоянии скорость передачи будет всего около 10 бит в секунду, а на пятидесяти километрах — примерно 10 кбит в секунду.
Поэтому квантовые линии связи имеют высокую ценность только для передачи конфиденциальных данных.
Для оптоволоконных линий связи применяются различные способы кодирования квантовых состояний фотонов. Одни из первых криптосистем работали на основе поляризационного кодирования, так же как для протокола ВВ84. Однако в обычном оптоволокне сильно искажается поляризация фотонов, так что наиболее популярно фазовое кодирование.
Современные коммерческие квантовые оптоволоконные криптосистемы используют двухпроходную оптическую схему и фазовое кодирование фотонов. Впервые эта система применена швейцарскими учеными в 2002 году. В ее схеме фотоны дважды проходят квантовый канал (оптоволокно длиной в десятки километров) — сначала в виде многофотонного лазерного импульса от приемника к передатчику, а затем на стороне передатчика они отражаются от так называемого зеркала Фарадея, ослабляются до уровня одиночных фотонов и отправляются обратно через квантовый канал к приемнику.
Сегодня именно такая экспериментальная линия связи в России создана в новосибирском Институте физики полупроводников, где сейчас проходит тестирование и доводку с квантовым каналом длиной 25 км (предполагается увеличить его длину до 100 км).
Особенность созданной системы – применение специально разработанных быстродействующих контроллеров, которые управляют ее настройкой и работой в автоматическом режиме.
Подготовила Мария Роговая (Новосибирск)+++