Максимальная длина канала связи, позволяющего использовать метод квантовой криптографии, составляет всего лишь чуть больше сотни километров. Ученые из Российского квантового центра разработали способ значительно увеличить эту дистанцию.
Квантовая криптография: что это такое?

Представьте себе, что прежде чем отправить электронное письмо приятелю, вы должны достать карту, измерить расстояние до города, где он живет, и если окажется, что это расстояние больше, чем 100 км, вы со вздохом берете карандаш и бумагу и беретесь за обычное «бумажное» письмо — электронная почта дальше, чем на 100 км, не ходит.

Абсурдная ситуация? Но именно так сейчас обстоят дела с передачей квантовых данных по оптоволоконным линиям связи — рекордная дальность передачи здесь до сих пор лишь немного превышает сотню километров, а устойчивая работа на нормальных, не рекордных линиях вообще ограничивается 40 км. Это означает, например, что линию квантовой коммуникации можно организовать внутри Москвы, а вот о передаче данных в Петербург пока нечего и думать. Каковы же перспективы квантовой криптографии в области дальней связи?

Фото

Банкноты и блокноты

История квантовой криптографии началась еще в конце 1960-х годов, когда студент Колумбийского университета Стивен Визнер изложил своему бывшему сокурснику Чарльзу Беннету идею квантовых банкнот, которые в принципе нельзя подделать, поскольку это исключают законы природы. Суть идеи состояла в том, чтобы поместить на каждую банкноту несколько квантовых объектов. Это могут быть, например, ловушки с фотонами, каждый из которых поляризован под определенным углом в одном из двух базисов — либо под углом 0 и 90, либо 45 и 135 градусов. Серийный номер напечатан на банкноте, но соответствующая номеру комбинация поляризаций и базисов (фильтров, с помощью которых фотону придается или измеряется его поляризация) при этом известна только банку. Чтобы подделать такую банкноту, фальшивомонетчик должен измерить поляризацию каждого фотона, но он не знает, в каком базисе поляризован каждый из них. Если он ошибется с базисом, то поляризация фотона изменится, и поддельная банкнота будет с неверной поляризацией. Квантовые деньги до сих пор не появились, поскольку пока не удалось создать достаточно надежных ловушек для фотонов. Однако тогда же Визнер предложил использовать тот же самый принцип для защиты информации, и эта технология сейчас уже близка к реализации.

Идеи Визнера, однако, были признаны далеко не сразу. Еще в начале 1970-х годов Визнер отправил свою статью о квантовой криптографии в журнал IEEE Transactions on Information Theory, но редакторам и рецензентам язык статьи показался слишком сложным. Лишь в 1983 году эта статья увидела свет в журнале ACM Newsletter Sigact News, и именно она стала первой в истории публикацией об основах квантовой криптографии.

Первоначально Визнер и Беннет рассматривали вариант передачи зашифрованных сообщений с помощью квантовых «носителей», при этом подслушивание портило бы сообщение и не давало возможности его прочесть. Затем они пришли к улучшенному варианту — использованию квантовых каналов для передачи одноразовых «шифроблокнотов» — шифровальных ключей.

Самая ценная информация — шифровальные ключи. Если ключ имеет длину, равную самому сообщению или еще длиннее, то расшифровать послание, не зная ключа, невозможно.

Закрытый конверт

Квантовые системы связи основаны на использовании квантовых свойств носителей информации. Если в обычных телекоммуникационных сетях данные кодируются в амплитуде и частоте излучения или электрических колебаний, то в квантовых — в амплитуде электромагнитного поля или в поляризации фотонов. Разумеется, потребуется значительно более дорогая и сложная аппаратура, но эти ухищрения оправданны: дело в том, что передача информации по квантовым каналам обеспечивает стопроцентную защиту от «прослушки». Согласно законам квантовой механики измерение свойств того или иного квантового объекта, например измерение поляризации фотона, неминуемо меняет его состояние. Получатель увидит, что состояние фотонов изменилось, и предотвратить это нельзя в принципе — таковы фундаментальные законы природы. Это можно описать такой аналогией: представьте себе, что вы пересылаете письмо в закрытом конверте. Если кто-то откроет письмо и прочитает его, цвет бумаги изменится, и получатель неминуемо поймет, что послание читал кто-то третий.

Самая ценная информация — это шифровальные ключи. Если ключ имеет длину, равную самому сообщению или еще длиннее, то расшифровать послание, не зная ключа, в принципе невозможно. Остается организовать защищенную передачу ключей, а это как раз и обеспечивают квантовые линии связи. Однако пока дистанция передачи данных для таких линий слишком коротка: из-за тепловых шумов, потерь, дефектов в оптоволокне фотоны не «выживают» на больших расстояниях.

Квантовые ключи

Множество исследовательских групп по всему миру разрабатывают устройства «восстановления» квантовых данных — так называемые квантовые повторители, которые способны «оживлять» фотоны. Группа исследователей из Российского квантового центра под руководством профессора Александра Львовского нашла способ восстанавливать свойства фотонов и подтвердила в эксперименте работоспособность этого метода. Ученые занимались изучением феномена квантовой запутанности, при котором состояния двух или нескольких объектов — атомов, фотонов, ионов — оказываются связаны. Если состояние одного из пары запутанных фотонов измерить, то состояние второго немедленно станет определенным, причем состояния их обоих будут связаны однозначно — например, если один фотон окажется поляризован вертикально, то второй — горизонтально и наоборот.

«Если распределять пары запутанных фотонов между двумя удаленными партнерами, то они оба получают одну и ту же последовательность, которую можно использовать как шифровальный ключ, поскольку это истинно случайная последовательность, которую нельзя угадать или рассчитать. Если же кто-то попытается подсмотреть запутанные фотоны, корреляция между ними потеряется и из них больше нельзя будет извлечь ключ», — объясняет Александр Львовский.

Задача состоит в том, чтобы сохранить состояние квантовой запутанности при передаче на большие расстояния. До сих пор с этим возникали большие проблемы. По оптоволоконным сетям до сих пор не удавалось передавать запутанные фотоны на расстояние больше 100 км. На б? льших расстояниях квантовые данные просто теряются в шумах. В обычных телекоммуникационных сетях используют разные типы повторителей или усилителей сигнала, которые усиливают амплитуду сигнала и убирают шумы, но в случае с квантовыми данными этот подход не работает. Фотон нельзя «усилить», при попытке измерить его параметры состояние фотона изменится, а значит, все преимущества квантовой криптографии исчезают.

Квантовые повторители

Ученые из разных стран пытаются разработать технологию квантовых повторителей — устройств, способных «воссоздавать» квантовую информацию, не разрушая ее. Группа Львовского, кажется, нащупала путь, который может привести к успеху. Еще в 2002 году он и его коллеги обнаружили любопытный эффект, который был назван «квантовым катализом», по аналогии с химическим термином, где определенные реакции могут идти только в присутствии особого вещества — катализатора. В их эксперименте световой импульс смешивался со «вспомогательным» одиночным фотоном на частично пропускающем свет зеркале. Затем этот фотон «удаляли». Казалось бы, состояние светового импульса не должно было меняться. Но, в силу парадоксальных свойств квантовой интерференции, фотон менял его в сторону «усиления» квантовых свойств.

«В то время это явление выглядело не более чем курьезным феноменом, каковых в квантовой физике множество. Теперь же оказалось, что оно имеет важное практическое применение — позволяет восстановить запутанность квантовых состояний света», — говорит Александр Львовский.

В своей новой работе, отчет о которой был опубликован в журнале Nature Photonics, ученые научились заново запутывать «распутавшиеся» фотоны. В качестве источника запутанных фотонов в эксперименте они использовали нелинейный кристалл титанил-фосфата калия с периодической доменной структурой. Его «обстреливали» пикосекундными импульсами света, которые генерировал титан-сапфировый лазер. В результате в кристалле рождались запутанные пары фотонов, которые ученые отправляли в два разных оптических канала. В одном из них свет подвергался 20-кратному ослаблению с помощью затемненного стекла, в результате чего уровень запутанности падал почти до нуля. Это соответствует уровню потерь в 65 км обычного оптоволоконного кабеля. Затем ослабленный сигнал направляли на светоделитель, где и проходил процесс квантового катализа. Ученые из группы Львовского называют этот процесс «квантовой дистилляцией», поскольку на выходе остается меньше фотонов, зато их уровень запутанности возрастает почти до исходного. «Из миллиона слабо запутанных пар фотонов получается одна сильно запутанная. Но при этом уровень корреляции восстанавливается до первичной, и хотя скорость передачи данных несколько снижается, мы можем получить устойчивую связь на значительно большем расстоянии», — говорит коллега Львовского Александр Уланов.

Не только для шпионов

На основе этой технологии можно будет создавать квантовые повторители, пригодные для коммерческого использования. «Для этого есть и другие методы, но как их использовать в условиях существующих источников квантовой запутанности, непонятно. Это оказывается непропорционально дорого. Возможно, наш повторитель будет и проще, и дешевле», — говорит Львовский. По его мнению, при благоприятных условиях первый прототип такого повторителя может быть создан через четыре-пять лет. А появление его на рынке может открыть дорогу действительно массовому применению квантовой криптографии, что серьезно изменит жизнь не только военных или банкиров.

«Это касается каждого из нас. Квантовая криптография — это не только какие-то военные или шпионские секреты, это номера кредитных карточек, это истории болезни. У каждого из нас масса конфиденциальной информации, и чем более открытым становится мир, тем важнее для нас контролировать доступ к ней», — говорит Львовский. Использование квантовых методов передачи шифровальных ключей может серьезно ослож­нить жизнь злоумышленников, у которых теперь не будет возможности перехватить и расшифровать информацию.

Обмен информацией выглядит так:
Если шпион (его обычно называют «Евой», от английского eavesdropping — подслушивание) захочет перехватить секретный ключ, он должен будет измерять поляризацию фотонов. Поскольку он не знает базиса, он должен будет определять его случайным образом. Если базис будет определен неправильно, то Ева не получит верных данных, а кроме того, изменит поляризацию фотона. Появившиеся ошибки сразу обнаружат и Алиса, и Боб.

Вскрытие на слух

Первый успешный эксперимент по квантовой передаче данных был проведен Беннетом и Жилем Брассаром в конце октября 1989 года, когда защищенная квантовая связь была установлена на расстоянии 32,5 см. Установка меняла поляризацию фотонов, но при этом блок питания шумел по‑разному в зависимости от того, какой была поляризация. Таким образом, окружающие могли свободно различать нули и единицы на слух. Как пишет Брассар, «наш прототип был защищен от любого подслушивающего, который оказался бы глухим». В октябре 2007 года методы квантовой криптографии были впервые применены в широкомасштабном проекте. Система квантовой защищенной связи, разработанная швейцарской компанией Id Quantique, использовалась для передачи данных о результатах голосования на парламентских выборах в швейцарском кантоне Женева. Таким образом, голоса швейцарцев были защищены как никакая другая информация.

Первый протокол Первый протокол квантового распределения ключей был создан Жилем Брассаром и Чарльзом Беннетом в 1984 году и получил название BB84. Для передачи данных используются фотоны, поляризованные в четырех разных направлениях, в двух базисах — под углом 0 и 90 градусов (обозначается знаком +) либо 45 и 135 градусов (?). Отправитель сообщения A (традиционно его называют «Алиса») поляризует каждый фотон в случайно выбранном базисе, а затем отправляет его получателю B — «Бобу». Боб измеряет каждый фотон, тоже в случайно выбранном базисе. После этого Алиса по открытому каналу сообщает Бобу последовательность своих базисов, и Боб отбрасывает неправильные (не совпавшие) базисы и сообщает Алисе, какие данные «не прошли». При этом сами значения, полученные в результате измерений, они по открытому каналу не обсуждают.

Статья «Запутать распутанное» опубликована в журнале «Популярная механика» (№2, Февраль 2016).