В эпоху сверхвысокой пропускной способности защищенные коммуникации имеют огромное значение. Квантовые технологии предлагают революционное решение для обеспечения безопасности связи. Квантовая коммуникационная сеть основана на квантовом распределении ключей (QKD). Это набор протоколов для распространения ключа шифрования между двумя удаленными сторонами, при этом обеспечивается безопасность передачи благодаря законам квантовой физики и теории информации.
В частности, сеть состоит из локальных узлов квантовой связи между двумя пользователями. Эти точки соединения генерируют фотоны, которые используются для переноса информации. Квантовые свойства этих световых частиц позволяют им преодолевать большие расстояния по оптическому волокну между локальными узлами. Поэтому квантовое распределение ключей использует лазеры для передачи ключей и данных. Квантовые свойства фотонов в лазерных лучах кодируются двоичным образом (с помощью 1 и 0). Хотя третья сторона может перехватить луч, под наблюдением квантовые свойства изменяются, делая ключи бесполезными для злоумышленника.
Недавно китайская исследовательская группа под руководством Цзянь-Вэй Пана из Университета науки и технологий Китая попыталась уменьшить количество узлов, необходимых для передачи информации между двумя сторонами, без потери данных. Более того, исследователи продемонстрировали, что эта сверхчувствительность может быть использована для обнаружения изменений в окружающей волокно среде, таких как незаметные в других случаях толчки. Это свойство делает его потенциально полезным для обнаружения землетрясений и оползней. Их результаты были опубликованы в журнале .
Квантовая решетка с двойным полем
Исследовательская группа сосредоточилась на квантовом распределении ключей с двойным полем (TF-QKD), распространенном волоконном протоколе для безопасного шифрования на больших расстояниях, используя фотонные помехи. Она обещает сверхдальнее безопасное распределение ключей за счет уменьшения числа доверенных узлов в квантовой сети на большом расстоянии. Для реализации TF-QKD были приложены значительные усилия.
Конкретно говоря, эксперимент TF-QKD состоит из двух оптических конфигураций, называемых A и B, на противоположных концах оптического волокна. Каждая конфигурация генерирует случайную строку битов (0 и 1) и отправляет ее в виде оптического сигнала по оптоволокну на промежуточный узел под названием C. В узле C два сигнала интерферируют (фотонная интерференция), и полученные оптические сигналы передаются обратно в A и B, которые используют результаты интерференции для генерации общего ключа.
Основываясь на этом принципе, Цзянь-Вэй Пан и его коллеги впервые продемонстрировали работу TF-QKD в лаборатории с помощью оптического волокна, намотанного на катушки. Другими словами, им удалось передать зашифрованные данные по 658-километровому кабелю с минимальной потерей информации. Это одно из самых больших расстояний, пройденных любой системой QKD на сегодняшний день.
Более того, обнаружение фотонных помех требует постоянного мониторинга световых сигналов, которые пользователи передают по каждому оптоволоконному каналу. Авторы поняли, что могут использовать этот непрерывный поток данных для обнаружения вибраций вдоль волокна. Они отмечают, что такое восстановление данных обнаружения вибрации возможно без добавления новых волоконно-оптических или аппаратных ресурсов в сеть TF-QKD.
Как обычно для метода TF-QKD, ученые разработали свою систему для коррекции флуктуаций фазы фотона, проходящего через волокно. Например, если при резком движении длина волокна на одном конце кратковременно увеличивается, то на промежуточный узел вместо пика придет провал световой волны. Таким образом, система TF-QKD должна постоянно вносить коррективы, чтобы погасить фазовые колебания. Именно этого добились авторы при разработке своей системы TF-QKD. Любые нарушения в окружающей среде, такие как вибрации в грунте или колебания температуры, также влияют на эту фазу и потенциально могут быть обнаружены.
Чтобы продемонстрировать возможность обнаружения сейсмических колебаний, исследователи установили пьезоэлектрическое устройство, которое перемещает волокно с одного конца на другой в определенной точке. Частота вибрации была установлена в диапазоне от 1 до 1000 Гц, что является соответствующим диапазоном для обнаружения сейсмических явлений. Колебания вызывают изменения фазы в диапазоне от 0,9 до 50 радиан, которые улавливает система компенсации колебаний.
Затем команда провела аналогичный тест на канале калибровки частоты — отдельном волокне, необходимом в системах TF-QKD для фиксации частот лазеров, идущих с обоих концов волокна. Исследователи использовали эту связь для определения местоположения источника вибрации с точностью до 1 км. Они заключают: «Наши результаты не только установили новый рекорд расстояния распределения квантовых ключей, но и продемонстрировали, что избыточная информация из TF-QKD может быть использована для дистанционного зондирования вибрации канала, что может найти применение в обнаружении землетрясений и мониторинге оползней, в дополнение к безопасной связи«.
Данное исследование является частью совокупности предыдущих работ, основанных на той же концепции. В 2018 году в ходе эксперимента использовались подводные телекоммуникационные волокна для обнаружения землетрясений. Скорость передачи данных необходимо повысить, прежде чем технология будет интегрирована в крупномасштабную сеть квантовой связи и начнет использоваться для обнаружения землетрясений. Тем не менее, к 2021 году Китай заявил, что развернет первую в мире интегрированную сеть квантовой связи. Внедрение системы обнаружения на этой сети является настоящим вызовом для Китая, одной из стран, наиболее подверженных землетрясениям в мире. Только в мае 2022 года произошло не менее 10 землетрясений, самое сильное из которых имело магнитуду 6,3 по шкале Рихтера.