Przejdź do treści

Kolejny postęp w komunikacji kwantowej za pomocą chińskiego satelity

img

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 km. Komunikacja została przeprowadzona 4 razy bardziej efektywnie niż podczas pierwszej próby opisywanej w 2017 r.

W społeczeństwie ściśle opartym na wymianie informacji, przekazywanie danych w bezpieczny sposób niesie za sobą 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 przy podsłuchiwaniu 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 r. demonstruje od kilku lat technikę kwantowej dystrybucji klucza przy użyciu splątania kwantowego. Już w 2017 r. na łamach czasopisma Science naukowcy pochwalili się osiągniętym przesyłem splątanych fotonów do stacji Delingha i Lijian, oddalonych od siebie o 1200 km. Choć wtedy osiągnięcie to było przełomem, to 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 4 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 odpowiedniego bezpieczeństwa stacji odbiorczych. Pewne założenia muszą być 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 km. W obu miejscach zbudowano nowe teleskopy zbudowane tylko z myślą o eksperymentach dystrybucji splątanych par fotonów. Oba teleskopy mają średnicę 1,2 m.

Satelita Micius z ładunkiem o wadze 23,8 kg 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 μrad. Synchronizacja czasowa jest uzyskiwana za pomocą lasera-latarni zainstalowanego na satelicie. Dokładność synchronizacji czasowej wynosi 0,77 ns (1 odchylenie standardowe).

W poprawionym eksperymencie uzyskano odbiór splątanych fotonów na poziomie 2,2 Hz. Współczynnik sygnału do szumu wyniósł 15:1. To dało 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 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 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). Przez to zademonstrowana komunikacja ma zastosowanie tylko w przypadku stacji naziemnych które są widoczne jednocześnie przez satelitę wysyłającego klucz.

 

Opracował: Rafał Grabiański

Na podstawie: Nature

 

Więcej informacji:

 

 

Na zdjęciu: Wizualizacja pracy satelity kwantowej komunikacji Micius. Źródło: CCTV.