В Китае запущена самая протяженная и крупная сеть с квантовым шифрованием

О своем достижении китайские ученые подробно рассказали в статье, которая опубликована в рецензируемом журнале Nature. Сеть построили специалисты Хэфейской национальной лаборатории по изучению современной физики и физических явлений сверхмалого масштаба, а также Центра превосходства в квантовой физике и информатике Китайской академии наук. Оба этих учреждения входят в Научно-технический университет Китая.

Ученым из Поднебесной удалось создать беспрецедентно крупную и протяженную сеть с квантовым шифрованием. Основной целью их работы была демонстрация возможности применения квантового распределения ключей (QKD) в практических крупномасштабных проектах. И, судя по всему, им это удалось. Более полутора сотен клиентов связали на расстоянии более 4600 километров, из которых 2000 обеспечены наземными оптическими линями, а остальное — через спутник.

Схема передачи данных зашифрованных квантовыми ключами / ©Chen, YA., Zhang, Q., Chen, TY. et al. An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-020-03093-8

В статье не приводится данных о том, насколько интенсивно используется данная сеть. Показаны лишь отчеты о работе отдельных ее сегментов и сам факт установления связи между всеми узлами. В частности, при распределении ключей через спутник удалось добиться средней скорости генерации порядка 48 килобит в секунду. Это в 40 раз больше, чем ранее достигнутые результаты. Кроме того, ученые отмечают, что использовать космический аппарат на низкой орбите (500 километров) необязательно.

По их данным количество ошибок и средняя скорость генерации ключей будут сопоставимыми и при установлении квантовой линии связи через геостационарный спутник. Такой подход позволит обмениваться зашифрованными данными без привязки к графику пролетов космического аппарата над наземными станциями. Примечательно, что специалисты из Поднебесной использовали старейший протокол QKD — BB84. Он гарантирует секретность ключа на расстоянии до 50 километров, но китайские ученые применили ряд хитростей, чтобы увеличить этот показатель вдесятеро.

Телескопы станций спутниковой связи, используемые для квантового распределения ключей: a — с зеркалом диаметром 1,2 метра в Наньшане, b — с метровым зеркалом в Синлуне / ©Chen, YA., Zhang, Q., Chen, TY. et al. An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-020-03093-8Используемое для организации сети оборудование: блоки питания (DC power distribution), квантовые передатчики (QKD transmitters) и приемники (QKD recievers), а также излучатели единичных фотонов (SPD) / ©Chen, YA., Zhang, Q., Chen, TY. et al. An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-020-03093-8

Теоретически, квантовое шифрование невозможно взломать. На практике существует ряд методов, позволяющих перехватить генерируемые таким образом ключи из-за несовершенства существующей техники. Однако эти недостатки могут быть устранены в будущем, да и на текущем уровне взлом сети с квантовым шифрованием — мероприятие весьма трудоемкое. Как минимум, оно требует идеального внедрения в оптоволоконную линию связи. Такие структуры, как построенная китайскими специалистами, используются только для создания ключей. Зашифрованные с их помощью пакеты можно безопасно передавать по обычным магистральным сетям.

В различных методах QKD для генерации секретного ключа используются квантовые состояния элементарных частиц. Как правило — фотонов, а измеряют их поляризацию. Алгоритмы квантового распределения ключей устроены так, что по количеству возникающих ошибок при передаче данных можно понять, перехватывает ли кто-то информацию посередине. Если ошибок меньше определенного числа, то передача остается секретной. А когда этот порог превышается, ключ необходимо создавать снова.