Немцы соорудили первую простейшую квантовую сеть

Иллюстрация Andreas Neuzner/Max Planck Institute of Quantum Optics

Впервые в мире учёным из Германии удалось соединить атомы в квантовый аналог сети передачи данных. Дальнейшее увеличение таких связей позволит создать полноценную сеть, которой, несомненно, найдётся практическое применение.

Более десяти лет физики ломают головы над созданием методов защиты данных при помощи квантовой криптографии. Такой подход поможет точно установить, делались ли попытки перехвата и взлома передаваемой информации.

Но вот в чём загвоздка: передавать зашифрованные данные пока не по чему. Полноценную квантовую сеть так никто и не создал. Между тем, подобный прорыв сулит прекрасные перспективы: мало того, что канал нельзя взломать, так ещё и данные могут перемещаться между любыми двумя узлами.

Невозможность бесследно считать передаваемую информацию определяется квантовой теорией: невозможно измерить состояние квантовой частицы, не изменив это её состояние. Дело в том, что согласно квантовой механике, атом может иметь несколько состояний, зависящих от его внутреннего строения. Как ни странно, но атом может находиться одновременно в нескольких состояниях (быть одновременно и 0, и 1). С классической точки зрения, это невозможно. При этом стоит начать измерение, как атом "упадёт" в какое-то одно из возможных состояний (или 0, или 1).

Чтобы было понятнее, можно проиллюстрировать происходящее на примере из жизни. Предположим, что легальные пользователи квантовой сети Алиса и Боб решили обменяться сообщениями, которые они хотят скрыть. Для этого они зашифровывают информацию, а ключ для её расшифровки пересылают по квантовой сети. 

Злоумышленник Ева пытается изучить передаваемые данные, но не может произвести чтение (измерение) без искажения текста сообщения.

В это же время Алиса и Боб по открытому каналу сравнивают и обсуждают сигналы, передаваемые по квантовому каналу, тем самым, проверяя их на возможность перехвата. Если ими не будет выявлено никаких ошибок, то переданную информацию можно считать сохранённой в секрете.

Если в квантовую сеть добавить третьего участника обмена сообщениями — Шарлотту, то Еве не удастся прочитать сообщение Боба, не потревожив обмен информацией между Алисой и Шарлоттой. Таким образом, выходит, что квантовую сеть взломать бесследно невозможно. По крайней мере, в теории.

Для того чтобы такое было реализовано на практике, физикам необходимо осуществить квантовую запутанность атомов. В этом случае оба атома находятся в том самом неопределённом состоянии (и 0, и 1 одновременно), но при этом их состояния связаны. То есть получается, если Алиса измерит состояние своего атома, и оно окажется 1, то ещё до того, как Боб проведёт измерения, она может быть уверена, что и у собеседника высветится 1.

Теперь об опыте, проведённом немецкими физиками. Доктор Штефан Риттер (Stephan Ritter) и его коллеги из Института квантовой оптики Макса Планка создали квантовую запутанность двух атомов, разнесённых по разные стороны улицы. (То есть учёные создали первый "кирпичик" квантовой сети, связали Алису и Боба.)

Для этого им понадобилась масса оборудования, которое доверху наполнило комнаты лаборатории: лазеры, оптические элементы и прочие устройства, которые обслуживали каждый узел квантовой сети.

Каждый атом находился между двух почти идеально отражающих зеркал, которые располагались на расстоянии 0,5 миллиметра, образуя оптический резонатор.

Свет лазера заставляет атом A испускать фотон. Этот квант света затем отправляется по 60-метровому оптическому волокну на другую сторону улицы. Когда фотон поглощает атом B, первоначальная квантовая информация от атома A передаётся атому B. Правильное состояние первого атома приводит к квантовой запутанности обоих атомов.

Физики института Макса Планка полагают, что в теории подобным образом можно "подключить в сеть" и третий атом, то есть увеличить количество узлов квантовой цепи, расширить сеть. Однако на пути физиков стоит ещё масса нерешённых задач.

"Чтобы всё это стало реальностью, нам необходимо было, чтобы каждый экспериментальный шаг выполнялся правильно, — говорит Риттер. – Взять, к примеру, оптический резонатор. Все физики соглашаются, что атомы и фотоны отлично подходят для создания квантовой сети, но в свободном пространстве они взаимодействуют с трудом. Для этого нам пришлось создать оптический резонатор".

"Полученный результат – значимое достижение, — говорит Эндрю Шилдс (Andrew Shields), физик и руководитель группы квантовой информации (QIG) в компании Toshiba Research Europe. — Ранее мы создавали сеть, которая передавала квантовую информацию, но для этого нам приходилось преобразовывать её в классическую форму в точках переключения (узлах). В этот раз исследователи провели эксперимент, в котором информация всегда оставалась в квантовой форме".

"Это очень важный шаг вперёд, — добавляет Шилдс, — потому что он позволяет технологам делиться квантовыми ключами в сетях, где промежуточным узлам нельзя доверять. Прогресс также может привести к появлению более сложных многосторонних протоколов передачи данных на основе распределённой запутанности".

Однако на пути практического применение такой квантовой сети стоит одно важное препятствие – габариты и сложность устройств, которые осуществляют все процессы. Таким образом, следующим шагом разработчиков станет не только увеличение количества узлов цепи, но и их миниатюризация.

Статья авторов работы опубликована в журнале Nature. Её также можно найти на сайте препринтов arXiv.org.