Transferul de informații cuantice va deveni mai fiabil. Mai mult decât iubire

Telegraful „a ucis” poșta porumbeilor. Radioul a înlocuit telegraful cu fir. Radioul, desigur, nu a dispărut nicăieri, dar au apărut și alte tehnologii de transmisie a datelor - cu fir și fără fir. Generații de standarde de comunicare se înlocuiesc foarte repede: acum 10 ani internet mobil a fost un lux, iar acum așteptăm 5G. În viitorul apropiat, vom avea nevoie de tehnologii fundamental noi, care nu vor fi mai puțin superioare celor moderne decât radiotelegrafele sunt pentru porumbei.

Ce ar putea fi acest lucru și cum va afecta toate comunicațiile mobile este sub tăietură.

Realitatea virtuală, schimbul de date într-un oraș inteligent folosind Internetul lucrurilor, primirea de informații de la sateliți și de la așezări situate pe alte planete sistemul solar, și protejarea întregului flux - astfel de probleme nu pot fi rezolvate doar printr-un nou standard de comunicare.

Încurcarea cuantică

Astăzi, comunicarea cuantică este folosită, de exemplu, în industria bancară, unde este necesară conformitatea conditii speciale securitate. Companiile Id Quantique, MagiQ, Smart Quantum oferă deja criptosisteme gata făcute. Tehnologiile cuantice pentru securitate pot fi comparate cu arme nucleare- aceasta este o protecție aproape absolută, ceea ce implică însă costuri serioase de implementare. Dacă transmiteți o cheie de criptare utilizând încrucișarea cuantică, atunci interceptarea acesteia nu va oferi atacatorilor nicio informație valoroasă - la ieșire, ei vor primi pur și simplu un set diferit de numere, deoarece starea sistemului în care interferează un observator extern se schimbă.

Până de curând, nu a fost posibil să se creeze un sistem global de criptare perfectă - după doar câteva zeci de kilometri semnalul transmis s-a estompat. S-au făcut multe încercări de a mări această distanță. Anul acesta, China a lansat satelitul QSS (Quantum experiments at Space Scale), care ar trebui să implementeze scheme de distribuție a cheilor cuantice la o distanță de peste 7.000 de kilometri.

Satelitul va genera doi fotoni încâlciți și îi va trimite pe Pământ. Dacă totul merge bine, distribuția cheii folosind particule încurcate va marca începutul erei comunicării cuantice. Zeci de astfel de sateliți ar putea forma nu numai baza unui nou Internet cuantic pe Pământ, ci și a comunicațiilor cuantice în spațiu: pentru viitoarele așezări pe Lună și Marte și pentru comunicațiile în spațiul profund cu sateliții care se îndreaptă dincolo de sistemul solar.

Teleportarea cuantică

Cu teleportarea cuantică, nu are loc niciun transfer material al unui obiect din punctul A în punctul B - există un transfer de „informație”, nu materie sau energie. Teleportarea este folosită pentru comunicațiile cuantice, cum ar fi transferul de informații secrete. Trebuie să înțelegem că aceasta nu este o informație în forma cu care suntem familiarizați. Simplificand modelul de teleportare cuantica, putem spune ca ne va permite sa generam o secventa de numere aleatorii la ambele capete ale canalului, adica vom putea crea un pad de criptare care nu poate fi interceptat. Pentru viitorul previzibil, acesta este singurul lucru care poate fi făcut folosind teleportarea cuantică.

Pentru prima dată în lume, teleportarea fotonilor a avut loc în 1997. Două decenii mai târziu, teleportarea prin rețele de fibră optică a devenit posibilă pe zeci de kilometri (ca parte a criptografia cuantică recordul a fost de 144 de kilometri). Teoretic, este deja posibilă construirea unei rețele cuantice în oraș. Cu toate acestea, există o diferență semnificativă între condițiile de laborator și cele din lumea reală. Cablul de fibră optică este supus schimbărilor de temperatură, ceea ce își modifică indicele de refracție. Din cauza expunerii la soare, faza fotonului se poate schimba, ceea ce în anumite protocoale va duce la o eroare.

, Laboratorul de Criptografie Cuantică.

Experimentele sunt efectuate în toată lumea, inclusiv în Rusia. În urmă cu câțiva ani, a apărut prima linie de comunicare cuantică a țării. A conectat două clădiri ale Universității ITMO din Sankt Petersburg. În 2016, oamenii de știință de la Centrul cuantic Kazan KNITU-KAI și Universitatea ITMO au lansat prima rețea cuantică cu mai multe noduri din țară, atingând o viteză de generare a secvențelor cuantice cernute de 117 kbit/s pe o linie de 2,5 kilometri.

Anul acesta a apărut prima linie de comunicare comercială - Centrul cuantic rusesc a conectat birourile Gazprombank la o distanță de 30 de kilometri.

În toamnă, fizicienii de la Laboratorul de tehnologii optice cuantice de la Universitatea de Stat din Moscova și de la Fundația pentru Cercetare Avansată au testat un sistem automat de comunicare cuantică la o distanță de 32 de kilometri, între Noginsk și Pavlovsky Posad.

Ținând cont de ritmul de realizare a proiectelor în domeniul calculului cuantic și al transmisiei de date, în 5-10 ani (conform fizicienilor înșiși), tehnologia comunicațiilor cuantice va părăsi în sfârșit laboratoarele și va deveni la fel de comună ca și comunicațiile mobile.

Posibile dezavantaje

ÎN ultimii ani problema se discută din ce în ce mai mult securitatea informatieiîn domeniul comunicaţiilor cuantice. Se credea anterior că folosind criptografia cuantică era posibil să se transmită informații în așa fel încât să nu poată fi interceptate în nicio circumstanță. S-a dovedit că sisteme absolut fiabile nu există: fizicienii din Suedia au demonstrat că, în anumite condiții, sistemele de comunicații cuantice pot fi sparte datorită unor caracteristici în pregătirea unui cifr cuantic. În plus, fizicienii de la Universitatea din California au propus o metodă de măsurători cuantice slabe, care de fapt încalcă principiul observatorului și permite să se calculeze starea unui sistem cuantic din date indirecte.

Cu toate acestea, prezența vulnerabilităților nu este un motiv pentru a abandona însăși ideea de comunicare cuantică. Cursa dintre atacatori și dezvoltatori (oameni de știință) va continua la un nivel fundamental nou: utilizarea echipamentelor cu putere de calcul ridicată. Nu orice hacker își poate permite astfel de echipamente. În plus, efectele cuantice pot face posibilă accelerarea transferului de date. Fotonii încâlciți pot transmite aproape de două ori mai multe informații pe unitatea de timp dacă sunt codificați în continuare folosind direcția de polarizare.

Comunicarea cuantică nu este un panaceu, dar deocamdată rămâne unul dintre cele mai multe direcții promițătoare dezvoltarea comunicațiilor globale.

Telegraful „a ucis” poșta porumbeilor. Radioul a înlocuit telegraful cu fir. Radioul, desigur, nu a dispărut nicăieri, dar au apărut și alte tehnologii de transmisie a datelor - cu fir și fără fir. Generații de standarde de comunicare se înlocuiesc foarte repede: acum 10 ani, internetul mobil era un lux, iar acum așteptăm apariția 5G. În viitorul apropiat, vom avea nevoie de tehnologii fundamental noi, care nu vor fi mai puțin superioare celor moderne decât radiotelegrafele sunt pentru porumbei.

Ce ar putea fi acest lucru și cum va afecta toate comunicațiile mobile este sub tăietură.

Realitatea virtuală, schimbul de date într-un oraș inteligent folosind Internetul lucrurilor, primirea de informații de la sateliți și de la așezări situate pe alte planete ale sistemului solar și protejarea întregului flux - astfel de probleme nu pot fi rezolvate doar printr-un nou standard de comunicare.

Încurcarea cuantică

Astăzi, comunicațiile cuantice sunt folosite, de exemplu, în domeniul bancar, unde sunt necesare condiții speciale de securitate. Companiile Id Quantique, MagiQ, Smart Quantum oferă deja criptosisteme gata făcute. Tehnologiile cuantice pentru asigurarea securității pot fi comparate cu armele nucleare - aceasta este o protecție aproape absolută, care, totuși, implică costuri serioase de implementare. Dacă transmiteți o cheie de criptare utilizând încrucișarea cuantică, atunci interceptarea acesteia nu va oferi atacatorilor nicio informație valoroasă - la ieșire, ei vor primi pur și simplu un set diferit de numere, deoarece starea sistemului în care interferează un observator extern se schimbă.

Până de curând, nu a fost posibil să se creeze un sistem global de criptare perfectă - după doar câteva zeci de kilometri semnalul transmis s-a estompat. S-au făcut multe încercări de a mări această distanță. Anul acesta, China a lansat satelitul QSS (Quantum experiments at Space Scale), care ar trebui să implementeze scheme de distribuție a cheilor cuantice la o distanță de peste 7.000 de kilometri.

Satelitul va genera doi fotoni încâlciți și îi va trimite pe Pământ. Dacă totul merge bine, distribuția cheii folosind particule încurcate va marca începutul erei comunicării cuantice. Zeci de astfel de sateliți ar putea forma nu numai baza unui nou Internet cuantic pe Pământ, ci și a comunicațiilor cuantice în spațiu: pentru viitoarele așezări pe Lună și Marte și pentru comunicațiile în spațiul profund cu sateliții care se îndreaptă dincolo de sistemul solar.

Teleportarea cuantică

Cu teleportarea cuantică, nu are loc niciun transfer material al unui obiect din punctul A în punctul B - există un transfer de „informație”, nu materie sau energie. Teleportarea este folosită pentru comunicațiile cuantice, cum ar fi transferul de informații secrete. Trebuie să înțelegem că aceasta nu este o informație în forma cu care suntem familiarizați. Simplificand modelul de teleportare cuantica, putem spune ca ne va permite sa generam o secventa de numere aleatorii la ambele capete ale canalului, adica vom putea crea un pad de criptare care nu poate fi interceptat. Pentru viitorul previzibil, acesta este singurul lucru care poate fi făcut folosind teleportarea cuantică.

Pentru prima dată în lume, teleportarea fotonilor a avut loc în 1997. Două decenii mai târziu, teleportarea prin rețele de fibră optică a devenit posibilă pe zeci de kilometri (în cadrul programului european în domeniul criptografiei cuantice, recordul a fost de 144 de kilometri). Teoretic, este deja posibilă construirea unei rețele cuantice în oraș. Cu toate acestea, există o diferență semnificativă între condițiile de laborator și cele din lumea reală. Cablul de fibră optică este supus schimbărilor de temperatură, ceea ce își modifică indicele de refracție. Din cauza expunerii la soare, faza fotonului se poate schimba, ceea ce în anumite protocoale va duce la o eroare.

, Laboratorul de Criptografie Cuantică.

Experimentele sunt efectuate în toată lumea, inclusiv în Rusia. În urmă cu câțiva ani, a apărut prima linie de comunicare cuantică a țării. A conectat două clădiri ale Universității ITMO din Sankt Petersburg. În 2016, oamenii de știință de la Centrul cuantic Kazan KNITU-KAI și Universitatea ITMO au lansat prima rețea cuantică cu mai multe noduri din țară, atingând o viteză de generare a secvențelor cuantice cernute de 117 kbit/s pe o linie de 2,5 kilometri.

Anul acesta a apărut prima linie de comunicare comercială - Centrul cuantic rusesc a conectat birourile Gazprombank la o distanță de 30 de kilometri.

În toamnă, fizicienii de la Laboratorul de tehnologii optice cuantice de la Universitatea de Stat din Moscova și de la Fundația pentru Cercetare Avansată au testat un sistem automat de comunicare cuantică la o distanță de 32 de kilometri, între Noginsk și Pavlovsky Posad.

Ținând cont de ritmul de realizare a proiectelor în domeniul calculului cuantic și al transmisiei de date, în 5-10 ani (conform fizicienilor înșiși), tehnologia comunicațiilor cuantice va părăsi în sfârșit laboratoarele și va deveni la fel de comună ca și comunicațiile mobile.

Posibile dezavantaje

În ultimii ani, problema securității informațiilor în domeniul comunicațiilor cuantice a fost tot mai discutată. Se credea anterior că folosind criptografia cuantică era posibil să se transmită informații în așa fel încât să nu poată fi interceptate în nicio circumstanță. S-a dovedit că sisteme absolut fiabile nu există: fizicienii din Suedia au demonstrat că, în anumite condiții, sistemele de comunicații cuantice pot fi sparte datorită unor caracteristici în pregătirea unui cifr cuantic. În plus, fizicienii de la Universitatea din California au propus o metodă de măsurători cuantice slabe, care de fapt încalcă principiul observatorului și permite să se calculeze starea unui sistem cuantic din date indirecte.

Cu toate acestea, prezența vulnerabilităților nu este un motiv pentru a abandona însăși ideea de comunicare cuantică. Cursa dintre atacatori și dezvoltatori (oameni de știință) va continua la un nivel fundamental nou: utilizarea echipamentelor cu putere de calcul ridicată. Nu orice hacker își poate permite astfel de echipamente. În plus, efectele cuantice pot face posibilă accelerarea transferului de date. Fotonii încâlciți pot transmite aproape de două ori mai multe informații pe unitatea de timp dacă sunt codificați în continuare folosind direcția de polarizare.

Comunicarea cuantică nu este un panaceu, dar deocamdată rămâne unul dintre cele mai promițătoare zone pentru dezvoltarea comunicațiilor globale.

Fizicienii ruși și ceho-slovaci au propus o metodă pentru păstrarea încurcăturii cuantice a fotonilor atunci când trec printr-un amplificator sau transmit pe o distanță lungă.

Încurcarea cuantică sau coeziunea particulelor este un fenomen de legătură între caracteristicile lor cuantice. Poate apărea din nașterea particulelor într-un eveniment sau din interacțiunea lor. Această conexiune poate fi menținută chiar dacă particulele se dispersează pe o distanță lungă, ceea ce face posibilă transmiterea informațiilor cu ajutorul lor. Faptul este că, dacă măsurați caracteristicile cuantice ale uneia dintre particulele legate, atunci caracteristicile celeilalte devin automat cunoscute. Efectul nu are analogi în fizica clasică. A fost dovedit experimental în anii 1970 și 80 și a fost studiat activ în ultimele decenii. În viitor, poate deveni baza pentru o serie de tehnologia de informație viitor.

Desen de D. Bell în manuscrisul lucrării sale din 1980. În stânga este scris în franceză „Șosetele domnului Bertleman și natura realității”. Deasupra piciorului stâng scrie: „roz”, deasupra piciorului drept: „nu roz”.

Instalare pentru cercetarea teleportarii cuantice la Universitatea din Tokyo.

Vizualizarea procesului de teleportare cuantică a qubiților. În stânga este un transmițător, în dreapta este un receptor, între care se transmit informații despre starea cuantică a qubiților folosind fotoni încâlciți.

O analogie amuzantă de zi cu zi pentru acest fenomen a fost inventată de unul dintre cercetătorii săi, fizicianul teoretician John Bell. Colegul său Reinhold Bertlmann suferea de distragere și venea adesea la muncă în șosete culori diferite. Era imposibil de prezis aceste culori, dar Bell a glumit că nu trebuia decât să vezi ciorapul roz de pe piciorul stâng al lui Bertleman pentru a deduce că acesta avea o altă culoare pe piciorul drept fără să-l vezi măcar.

Una dintre probleme utilizare practică Fenomenul de entanglement cuantic este o întrerupere a comunicării atunci când particulele interacționează cu lumea exterioară. Acest lucru se poate întâmpla atunci când semnalul este amplificat sau transmis pe o distanță lungă. Acești doi factori pot acționa și împreună, deoarece pentru a transmite un semnal pe distanțe lungi, acesta trebuie amplificat. Prin urmare, fotonii, după ce trec prin mulți kilometri de fibră optică, în cele mai multe cazuri încetează să fie încurcați cuantici și se transformă în cuante de lumină obișnuite, fără legătură. Pentru a evita decuplarea în experimentele de calcul cuantic, este necesar să se folosească răcirea la temperaturi apropiate de zero absolut.

Fizicienii Serghei Filippov (MIPT și Centrul cuantic rus din Skolkovo) și Mario Ziman (Universitatea Masaryk din Brno, Republica Cehă și Institutul de Fizicăîn Bratislava, Slovacia) au găsit o modalitate de a păstra încurcarea cuantică a fotonilor la trecerea printr-un amplificator sau, dimpotrivă, la transmiterea pe o distanță lungă. Detalii publicate într-un articol (vezi și preprint) pentru jurnal Analiza fizică A.

Esența propunerii lor este aceea de a transmite semnale anumit tip este necesar ca „funcția de undă a particulelor din reprezentarea coordonatelor să nu aibă forma unui pachet de undă gaussian”. În acest caz, probabilitatea de distrugere a încurcăturii cuantice devine mult mai mică.

Funcția de undă este unul dintre conceptele de bază ale mecanicii cuantice. Este folosit pentru a descrie starea unui sistem cuantic. În special, fenomenul de întanglement cuantic este descris pe baza ideilor despre starea generala particule legate cu o funcție de undă specifică. Conform interpretării de la Copenhaga a mecanicii cuantice, semnificația fizică a funcției de undă a unui obiect cuantic în reprezentare în coordonate este că pătratul modulului său determină probabilitatea de a detecta obiectul într-un punct dat. Cu ajutorul acestuia puteți obține și informații despre impuls, energie sau altele mărime fizică obiect.

Funcția Gauss este una dintre cele mai importante funcții matematice, care și-a găsit aplicație nu numai în fizică, ci și în multe alte științe, inclusiv sociologie și economie, care se ocupă de evenimente probabilistice și de utilizare. metode statistice. Multe procese din natură conduc la această funcție în timpul prelucrării matematice a rezultatelor observaționale. Graficul său arată ca o curbă în formă de clopot.

Fotonii obișnuiți, care sunt acum utilizați în majoritatea experimentelor de întanglement cuantic, sunt descriși și de o funcție gaussiană: probabilitatea de a găsi un foton într-un anumit punct, în funcție de coordonatele punctului, are o formă gaussiană în formă de clopot. Așa cum au arătat autorii lucrării, în acest caz nu va fi posibilă trimiterea întanglementului departe, chiar dacă semnalul este foarte puternic.

Utilizarea fotonilor a căror funcție de undă are o formă diferită, non-Gauss, ar trebui să crească semnificativ numărul de perechi de fotoni încâlciți care ajung la destinatar. Totuși, acest lucru nu înseamnă că semnalul poate fi transmis printr-un mediu opac arbitrar sau pe o distanță arbitrar mare - dacă raportul semnal-zgomot scade sub un anumit prag critic, atunci efectul întanglementării cuantice dispare în orice caz.

Fizicienii au învățat deja cum să creeze fotoni încâlciți separați de câteva sute de kilometri și au găsit câteva aplicații foarte promițătoare pentru ei. De exemplu, pentru a crea un computer cuantic. Această direcție pare promițătoare datorită vitezei mari și a consumului redus de energie al dispozitivelor fotonice.

O altă direcție este criptografia cuantică, care face posibilă crearea unor linii de comunicare în care „interceptarea” poate fi întotdeauna detectată. Se bazează pe faptul că orice observare a unui obiect are un impact asupra acestuia. Iar influențarea unui obiect cuantic își schimbă întotdeauna starea. Aceasta înseamnă că o încercare de a intercepta un mesaj ar trebui să aibă ca rezultat distrugerea încurcăturii, care va fi imediat cunoscută destinatarului.

În plus, întanglementul cuantic face posibilă realizarea așa-numitei teleportari cuantice. Nu trebuie confundat cu teleportarea (transportul în spațiu) a obiectelor și a oamenilor din filmele științifico-fantastice. În cazul teleportării cuantice, nu obiectul în sine este transmis la distanță, ci informații despre starea sa cuantică. Chestia este că toate obiectele cuantice (fotoni, particule elementare), iar cu ei, atomii de același tip sunt absolut identici. Prin urmare, dacă un atom din punctul de recepție capătă o stare cuantică identică cu atomul din punctul de transmisie, atunci aceasta este echivalentă cu crearea unei copii a atomului în punctul de recepție. Dacă ar fi posibil să se transfere starea cuantică a tuturor atomilor unui obiect, atunci o copie ideală a acestuia ar apărea la locul de primire. Pentru a transfera informații, puteți teleporta qubiți - cele mai mici elemente pentru stocarea informațiilor într-un computer cuantic.

Dezvoltarea fizicii cuantice experimentale în ultimele decenii a condus la rezultate interesante. Ideile abstracte se găsesc treptat aplicare practică. În domeniul opticii cuantice, aceasta este, în primul rând, crearea unui computer cuantic și telecomunicații bazate pe criptografia cuantică - tehnologia cea mai apropiată de implementare.

Liniile de comunicații optice moderne nu garantează confidențialitatea informațiilor transmise, deoarece milioane de fotoni se deplasează de-a lungul liniilor de fibră optică, duplicându-se în mare parte unul pe altul, iar unii dintre ei pot fi interceptați neobservați de către destinatar.

Criptografia cuantică folosește fotoni unici ca purtători de informații, așa că, dacă sunt interceptați, nu vor ajunge la destinatar, ceea ce va deveni imediat un semnal că are loc spionaj.

Pentru a ascunde interceptarea, spionul trebuie să măsoare starea cuantică a fotonului (polarizare sau fază) și să trimită un „duplicat” destinatarului. Dar, conform legilor mecanicii cuantice, acest lucru este imposibil, deoarece orice măsurătoare efectuată modifică starea fotonului, adică nu face posibilă crearea „clonei sale”.

Această împrejurare garantează secretul complet al transmiterii datelor, astfel încât astfel de sisteme încep treptat să fie utilizate în întreaga lume de către serviciile secrete și rețelele bancare.

Primul protocol de criptografie cuantică a fost inventat de oamenii de știință americani Charles Bennett și Jill Brassard în 1984, motiv pentru care se numește BB84. Cinci ani mai târziu au creat un astfel de sistem în centru de cercetare IBM, plasând emițătorul și receptorul într-o carcasă rezistentă la lumină la o distanță de numai 30 cm unul de celălalt. Sistemul a fost controlat de la computer personalși a permis schimbul unei chei secrete prin canalul de aer (fără cablu) la o viteză de 10 bit/s.

Foarte încet și foarte aproape, dar a fost primul pas.

Esența protocolului BB84 este transmiterea fotonilor cu polarizare în patru direcții posibile. Două direcții sunt vertical-orizontal și două diagonale (la unghiuri de plus sau minus 45 de grade). Expeditorul și destinatarul sunt de acord că, de exemplu, polarizarea verticală și polarizarea la un unghi de plus 45 de grade corespund zero logic, iar polarizarea orizontală și minus 45 de grade corespund unuia. Apoi expeditorul trimite destinatarului o secvență de fotoni unici polarizați aleatoriu în una dintre aceste direcții, iar destinatarul, printr-un canal de comunicare deschis, raportează în ce sistem de coordonate (polarizări) a măsurat razele primite, dar nu raportează rezultatul. a măsurătorilor lui. Deoarece fiecare foton poate fi fie un zero, fie unul, pentru interceptor aceasta informații deschise inutil. Expeditorul raportează dacă sistemul de coordonate pentru fiecare foton este corect. Apoi notează secvența de potrivire, care devine un cod binar gata făcut pentru ei - cheia secretă pentru a decripta datele. Acum toate datele criptate pot fi transmise prin rețele deschise.

Invenția a stârnit un mare interes în întreaga lume.

Codarea fotonilor prin polarizare este utilizată în legăturile experimentale de comunicație atmosferică, deoarece atunci când radiația se propagă prin atmosferă, polarizarea radiației se va modifica ușor și pentru a suprima solar sau lumina lunii se folosesc filtre spectrale, spațiale și temporale. La prima instalație experimentală din 1992, distanța dintre emițător și receptor (lungimea canalului cuantic) era de numai 30 cm, în 2001 era deja de aproape 2 km. Un an mai târziu, transmisia cheie a fost demonstrată în străinătate pe distanțe care depășesc grosimea efectivă a atmosferei - 10 km și 23 km. În 2007, cheia a fost transmisă la 144 km, iar în 2008, semnalul cu un singur foton reflectat de la un impuls laser de la un satelit a fost înregistrat pe Pământ.

Pentru a genera fotoni unici, se folosește radiația foarte atenuată de la laserele semiconductoare. Dar puteți folosi și surse de fotoni unici - emițători de un singur foton pe puncte cuantice, dezvoltate la Institutul de Fizică a Semiconductorilor. A. V. Rzhanova SB RAS. Acestea sunt structuri semiconductoare care fac posibilă emiterea de radiații dintr-un singur punct cuantic. Deoarece secretul transmisiei necesită nu mai mult de un foton în fiecare impuls laser, fotodetectorii nodului receptor sunt supuși exigențe mari. Acestea trebuie să aibă o probabilitate de înregistrare suficient de mare (mai mult de 10%), zgomot redus și o rată de numărare mare.

Fotodiodele de avalanșă pot servi ca detectoare cu un singur foton, care diferă de cele convenționale în amplificarea impulsurilor electrice: în fotodiodele convenționale, nu se naște mai mult de un electron per foton incident, iar în fotodiodele de avalanșă - mii. Când tensiunea de pe fotodiodă depășește un anumit prag și un foton îl lovește, are loc o multiplicare avalanșă a purtătorilor de sarcină. Cu cât este mai mare tensiunea peste prag, cu atât este mai mare probabilitatea de înregistrare a unui foton, dar și zgomotul mai puternic.

Pentru a elimina aceste zgomote, ele (detectoarele) trebuie răcite la minus 50 de grade Celsius cu un microfrigider special cu semiconductor.

Dar pot fi folosiți și detectoare supraconductoare realizate dintr-un set de nanofire de aproximativ 50 nm grosime. Astfel de structuri se află într-un regim de tranziție de la conductiv la supraconductor. Trecerea unui foton prin acest detector și absorbția lui este suficientă pentru a încălzi nanofirele și a schimba curentul prin ele. Fotonul de intrare este detectat de schimbarea curentului. Detectoarele supraconductoare sunt mult mai puțin zgomotoase decât fotodiodele de avalanșă. Experimentele străine cu detectoare supraconductoare au demonstrat raza maxima transmisie cu cheie cuantică - 250 km față de 150 km când se folosesc fotodiode de avalanșă. Principalul factor limitator pentru utilizarea în serie a detectoarelor supraconductoare este nevoia de răcire profundă a acestora folosind criostate scumpe cu heliu.

Gama și viteza de transmitere a informațiilor sunt limitate de capacitățile liniilor de comunicație cu fibră optică, de eficiența detectorilor și de nivelul de zgomot al acestora.

Raza maximă de transmitere a informațiilor folosind tehnologia criptografiei cuantice pe fibră optică este de aproximativ 150 de kilometri, dar la această distanță viteza de transmisie va fi de numai aproximativ 10 biți pe secundă, iar la cincizeci de kilometri - aproximativ 10 kbiți pe secundă.

Prin urmare, liniile de comunicație cuantică sunt doar de mare valoare pentru transmiterea datelor sensibile.

Pentru liniile de comunicații cu fibră optică se folosesc diverse moduri codificarea stărilor cuantice ale fotonilor. Unele dintre primele criptosisteme au funcționat pe baza codării de polarizare, la fel ca pentru protocolul BB84. Cu toate acestea, în fibra optică convențională, polarizarea fotonilor este foarte distorsionată, astfel încât codificarea de fază este cea mai populară.

Criptosistemele moderne comerciale cu fibră optică cuantică utilizează design optic în două treceri și codificarea fază a fotonilor. Acest sistem a fost folosit pentru prima dată de oamenii de știință elvețieni în 2002. În schema ei, fotonii trec printr-un canal cuantic (o fibră optică lungă de zeci de kilometri) de două ori - mai întâi sub forma unui impuls laser multifotonic de la receptor la transmițător, iar apoi pe partea transmițătorului sunt reflectați de la so- numită oglindă Faraday, atenuată la nivelul fotonilor unici și trimisă înapoi prin canalul cuantic către receptor. O oglindă Faraday „rotește” polarizarea (direcția) fotonilor reflectați cu 90 de grade datorită efectului Faraday (rotația polarizării) în sticlă magneto-optică specială plasată într-un câmp magnetic. Și pe drumul înapoi la receptor, toate polarizarea și distorsiunile de fază ale fotonilor din canalul cuantic suferă modificări inverse, adică sunt compensate automat. Tehnologia nu necesită configurarea unui canal cuantic și vă permite să lucrați cu linii de comunicație standard cu fibră optică.

Astăzi, o astfel de linie de comunicare experimentală în Rusia a fost creată la Institutul de Fizică a Semiconductorilor din Novosibirsk, unde este în prezent testată și ajustată cu un canal cuantic de 25 km lungime (se plănuiește să-și mărească lungimea la 100 km) .

O caracteristică specială a sistemului creat este utilizarea controlerelor de mare viteză special concepute care controlează configurarea și funcționarea acestuia în modul automat. Doar câteva dintre aceste sisteme au fost dezvoltate în lume, iar tehnologia pentru implementarea lor nu este dezvăluită, așa că singura modalitate de a introduce linii de comunicare cuantică în țara noastră este propria noastră dezvoltare internă.

Pregătit de Maria Rogovaya (Novosibirsk)

În ciuda faptului că acest fenomen este descris de teoriile mecanicii cuantice și dovedit experimental, mulți oameni de știință sunt sceptici în privința lui. Această scindare în lumea științifică a avut loc de la disputa dintre Albert Einstein și Niels Bohr. Einstein spunea că încrucișarea cuantică este o idee prea absurdă și nu are nimic de-a face cu realitatea și observațiile. El a numit-o „interacțiune fantomă” ( acțiune înfricoșătoare), deoarece această teorie a contrazis afirmația sa despre irezistibilitatea vitezei luminii.

Astăzi, oamenii de știință din Israel au demonstrat experimental că este posibil să se creeze o pereche de fotoni care au o conexiune cuantică, chiar dacă nu există în același timp. Adică, în plus fapt uimitor că o astfel de conexiune funcționează chiar și la distanță mare (cel puțin 13,8 miliarde de ani lumină), se adaugă și o separare în timp. Se pare că relația dintre două particule este atât de puternică încât acestea pot fi separate atât de timp, cât și de spațiu, iar conexiunea cuantică va funcționa în continuare.

Un cuantum de lumină, cunoscut și sub denumirea de foton (care este atât o particulă, cât și o undă) poate fi polarizat și, de fapt, poate lua două stări: polarizare verticală și polarizare orizontală. Încurcarea apare atunci când există fotoni perechi, fiecare dintre care poate fi polarizat orizontal sau vertical. Conexiunea lor cuantică se manifestă astfel: dacă măsurați starea unui foton, puteți spune cu încredere că starea perechii sale va fi invers. Adică, dacă o particulă ale cărei proprietăți le putem afla este polarizată vertical, atunci o particulă pereche situată cel puțin la celălalt capăt al Universului va fi polarizată orizontal și invers.

Specialistul în optică cuantică Eli Megidish și colegul său Hagai Eisenberg de la Universitatea Ebraică din Ierusalim au creat o legătură cuantică între doi fotoni care nu existau în același timp.

Au început cu o schemă cunoscută sub numele de schimb de încurcături ( schimbul de încurcături). Pentru a face acest lucru, au direcționat un fascicul laser de două ori către un cristal special pentru a produce două perechi de fotoni. Particulele rezultate au fost desemnate prin numere: perechea 1 și 2, perechea 3 și 4. Inițial, particulele 1 și 4 nu aveau o conexiune cuantică, dar ar fi trebuit să apară de îndată ce oamenii de știință au stabilit încurcarea între fotonii 2 și 3.

„Măsurarea de proiecție” a proprietăților uneia dintre particule determină apariția unei anumite stări a acesteia, precum și o schimbare a stării particulei împerecheate spre opus, ca în cazul polarizării verticale și orizontale. Astfel, chiar dacă fotonii 2 și 3 nu au fost inițial încâlciți, prin măsurători, fizicienii i-au dat uneia dintre ele una dintre cele două stări, iar „partenerul” său opusul.

Orice măsurătoare provoacă încurcarea fotonilor, chiar dacă distruge unul dintre ei. Deci, dacă luăm în considerare doar cazul în care particulele 2 și 3 sunt în aceeași stare, atunci fotonii 1 și 4 se dovedesc automat a fi încâlciți după măsurători. Pentru o mai bună înțelegere, puteți da un exemplu simplu: dacă aveți un lanț de patru verigi, atunci când verigile sale exterioare sunt conectate, cele din mijloc devin și ele conectate.

Pentru a crea o încurcătură cuantică între fotonii 1 și 4, care nici măcar nu exista în același moment, Eisenberg și colegii săi au încurcat mai întâi fotonii din perechea 1 și 2, iar apoi au măsurat polarizarea fotonului 1 în mod obișnuit. Apoi, fizicienii au „conectat” particulele 3 și 4 și au făcut „măsurători de proiecție”. Ultima etapă Cercetătorii au măsurat polarizarea fotonului 4. Și, deși fotonii 1 și 4 nu au coexistat niciodată, între ei a apărut încă încâlcirea cuantică, raportează oamenii de știință într-o preprint a lucrării pe arXiv.org.

Eisenberg spune că chiar și sub teoria relativității, în care doi observatori se mișcă cu la viteze diferite, percepe succesiunea evenimentelor în timp diferit, niciunul dintre ei nu va spune că particulele 1 și 4 din experimentul său au existat vreodată simultan.

„Experimentul nostru arată că nu este în întregime logic să considerăm întricarea cuantică ca fiind un fel de real fenomen fizic. Deoarece cei doi fotoni nu au existat niciodată în același timp, este imposibil să spunem că a existat o legătură între ei în orice moment”, spune Eisenberg.

Fizicianul de la Universitatea din Viena Anton Zeilinger crede că experimentul colegilor săi israelieni demonstrează încă o dată cât de instabile sunt conceptele mecanicii cuantice. „Efectele cuantice au puține în comun cu ceea ce observăm viata realaîn fiecare zi”, spune el.

Și totuși, progresul în domeniul mecanicii cuantice poate schimba radical viața așa cum o cunoaștem. De exemplu, pe baza cercetărilor lui Eisenberg și a colegilor săi, va fi posibilă crearea unei conexiuni ascunse de neîntrerupt între doi utilizatori aflați la mare distanță unul de celălalt. Utilizatorul de la celălalt capăt al „firului” nu va trebui să aștepte în timp ce informațiile sunt transmise: o schimbare a stării fotonului opus va provoca instantaneu o schimbare a perechilor sale. Zeilenger speră, de asemenea, că astfel de experimente îi pot inspira pe creatorii computerelor cuantice să îmbunătățească tehnologia.