Chiny zademonstrowały kolejny postęp w rozwoju bezpiecznej komunikacji przy użyciu techniki kwantowej dystrybucji klucza. Za pomocą działającego od 2016 roku satelity Micius udało się dokonać dystrybucji klucza kwantowego między stacjami naziemnymi oddalonymi od siebie o ponad 1100 kilometrów. Komunikacja zachodziła cztery razy bardziej efektywnie niż podczas pierwszej próby opisywanej w 2017 roku.
W społeczeństwie ściśle opartym na wymianie informacji przekazywanie danych w bezpieczny sposób ma bardzo dużą wartość. Obecnie aby zaszyfrować przekazywaną informację korzysta się z tradycyjnych protokołów dystrybucji kluczy szyfrujących, opierających się na złożoności obliczeniowej funkcji matematycznych. Ten sposób sprawia, że nawet w razie przechwycenia informacji, podsłuchujący nie ma praktycznej możliwości jej odczytania z powodu wysokiej złożoności obliczeniowej tego zadania. Komunikujące się strony nie wiedzą, czy ktoś podsłuchał ich wiadomość, ale wiedzą, że minęłoby niepraktycznie dużo czasu, by taką wiadomość rozkodować przy zastosowaniu tradycyjnych technik komputerowych.
Narastające możliwości tradycyjnych komputerów, a przede wszystkim groźba powstania dostatecznie zaawansowanych komputerów kwantowych zagraża obecnym protokołom bezpiecznej komunikacji. Dlatego tak zachęcające jest wykorzystanie praw mechaniki kwantowej w komunikacji.
Satelita Micius, wysłany przez Chiny w 2016 roku, od kilku lat demonstruje technikę kwantowej dystrybucji klucza przy użyciu splątania kwantowego. Już w 2017 roku na łamach czasopisma "Science" naukowcy pochwalili się osiągniętym przesyłem splątanych fotonów do stacji Delingha i Lijian, oddalonych od siebie o 1200 kilometrów. Choć wtedy osiągnięcie to było przełomem, efektywność transmisji była zbyt niska do praktycznego zastosowania.
Yin i koledzy udoskonalili komunikację, instalując bardziej zaawansowane teleskopy w stacjach naziemnych i optymalizując działanie sprzętu służącego do komunikacji na każdym etapie drogi wiązki fotonów. Dzięki temu udało się uzyskać cztery razy większą efektywność i dostatecznie niski współczynnik błędu, by strony komunikujące się mogły odczytać wysyłany przez satelitę klucz szyfrujący.
Odcinek programu Astronarium o komunikacji kwantowej.
W przypadku dystrybucji klucza kwantowego ważne jest też zapewnienie bezpieczeństwa stacji odbiorczych. Pewne założenia muszą zostać poczynione dla wewnętrznego działania stacji. Chiński zespół zastosował dwa zabezpieczenia mające minimalizować ryzyko złamania tych założeń: systematyczne podejście do wyłapywania nieperfekcyjności układu, które mogłyby spowodować wyciek informacji, oraz różnorodną aktywną kontrolę właściwości fotonów przenoszących informacje.
Do poprawionego eksperymentu użyto dwóch stacji naziemnych w Nanshan i Delingha, oddalonych od siebie o 1120 kilometrów. W obu miejscach zbudowano nowe teleskopy – tylko z myślą o eksperymentach z dystrybucją splątanych par fotonów. Oba teleskopy mają średnicę 1,2 metra.
Satelita Micius z ładunkiem o wadze 23,8 kilograma generującym splątane pary fotonów o długości fali 810 nm jest w stanie wysyłać prawie 6 mln par na sekundę. Satelita okrąża Ziemię na orbicie heliosynchronicznej i pojawia się na widoku obu stacji odbiorczych codziennie około 2.00 w nocy czasu pekińskiego. Stacje odbiorcze odfiltrowują światło, pozostawiając tylko to w zakresie eksperymentu. Systemy naziemne są w stanie śledzić satelitę z dokładnością do 0,4 mikroradianów. Synchronizacja czasowa jest uzyskiwana za pomocą lasera-latarni zainstalowanego na satelicie. Dokładność synchronizacji czasowej wynosi 0,77 nanosekundy (jedno odchylenie standardowe).
W poprawionym eksperymencie uzyskano odbiór splątanych fotonów na poziomie 2,2 herza. Współczynnik sygnału do szumu wyniósł 15:1. Dało to wynik kwantowego współczynnika błędu na poziomie 4,5% (w porównaniu z 8,1% uzyskanym w poprzednim eksperymencie).
Kwantowa dystrybucja klucza przy użyciu satelity Micius to do tej pory najbardziej zaawansowany eksperyment tego typu na świecie. Do praktycznego zastosowania takiej metody komunikacji potrzeba będzie jeszcze jednak pokonać wiele problemów. Uzyskana przepustowość przesyłu klucza to na razie tylko 0,12 b/s. Poza tym eksperyment mógł być wykonywany tylko w nocy i przy użyciu dość krótkiej fali światła, niekompatybilnej z obecnymi naziemnymi sieciami światłowodowymi.
Dodatkowo niedojrzała jest jeszcze technologia urządzeń przedłużających sygnał w bezpieczny sposób na Ziemi (repeatery). Z tego powodu zademonstrowana metoda komunikacji ma zastosowanie tylko w przypadku stacji naziemnych, które są w tym samym momencie widoczne dla satelity wysyłającego klucz.
Opracował: Rafał Grabiański
Na podstawie: Nature
Więcej informacji:
- Entanglement-based secure quantum cryptography over 1,120 kilometres
- artykuł popularnonaukowy w Nature opisujący ostatnie osiągnięcie
Na zdjęciu: Wizualizacja pracy satelity kwantowej komunikacji Micius. Źródło: CCTV.