Квантова тканина захищеного зв'язку

Квантовий енткутмент стоїть як один з найбільш стійких, але потужних явищ у сучасній фізики. На його основі енткутлінг описує стан, де дві або більше частин стають настільки глибоко пов'язаними, що вимірювання один миттєво впливає на інші, незалежно від відстані, що розділяє їх. Цей нелокальний зв'язок, який Альберт Ейнштейн відомий називався "свіжною дією на відстані", - це не тільки теоретична цікавість. Він став урочищеним елементом з'являються квантові комунікації мереж, систем, які обіцяють забезпечити безпеку і ефективність далеко за те, що класична криптографія може досягати.

Як заплутувати власне роботи

Щоб зрозуміти заплутаність, ми повинні спочатку прийняти, що квантові частинки не мають фіксованих властивостей, поки вони вимірюються. Фотон, наприклад, не має певної поляризації доки воно не спостерігається. Коли два фотони заплутані, їх поляризація стають корелятором таким чином, що якщо вимірюється, щоб бути горизонтально поляризованими, інші будуть знайдені, щоб бути вертикально поляризованими, і навпаки. Цей кореляційний тримається навіть якщо фотони відокремлюються кілометрами або більше. Критично, результат кожного індивідуального вимірювання є випадковим, але відносини між двома результатами визначається закутником.

Увімкнення створюється при взаємодії частинок у спосіб, що зберігає когерентність своїх квантових станів. Загальні методи включають спонтанну параметричну параметричну пускову здатність (SPDC) у нелінійних кристалах, де один високоенергетичний фотон розщеплюється на дві нижчоенергійні заплутані фотони, або через квантові ворота у перекритих іонних системах. Ключове майно, яке експлуатується для спілкування, полягає в тому, що посилання на перешкоду: будь-яка спроба перехопити або виміряти одну частинку без згоди ресивера, порушить кореляцію, оповіщення сторін, що канал був порушений.

Квантовий розподіл ключів: Практична зброя вступу

Найгайніший приклад заплутування в зв'язку Quantum key distribution (QKD). На відміну від традиційного шифрування, яке спирається на математичну складність і може бути порушений потужними квантовими комп'ютерами, QKD використовує закони фізики для забезпечення безпеки. У протоколі entanglement-based QKD, такі як протокол Ekert (E91), дві сторони (поодинці названа Аліса і Боб) кожен отримує один фотон з заплутаної пари. Вони вимірюють свої фотони, використовуючи випадково підібрані бази, потім загальнопорівняно підмножити їх результати вимірювання, щоб виявити їх вимірювання, що не можуть бути знайдені зафіксовані вимірювання.

]«Безпека заплутаного QKD ґрунтується в тому, що будь-який клаптоскоп не може копіювати квантовий стан без введення шуму. Самий акт вимірювання порушує систему, що робить інструкцію виявленим.» — Редакція природної фізики, 2020

Комерційно розгорнуті системи QKD сьогодні часто використовують слабкі когерентні імпульси, а не заплутані фотони, але енткутник пропонує фундаментальну перевагу: його можна використовувати для побудови device-inзалежні QKD], де безпека не покладається на довірку обладнання. Хоча ще експериментальні, пристрої-незалежні протоколи представляють золото стандарт для безумовної безпеки.

Створення квантового інтернету

Довгострокове бачення квантового спілкування поширюється далеко за межами точки-точкового розподілу ключів. Дослідники працюють у напрямку quantum Internet — глобальна мережа, яка з'єднує квантові пристрої, дозволяє розподіляти квантові обчислення, і дозволяє перенести надсекурні дані. На самому серці цієї мережі лежить розбір перешкод через довгі відстані. Однак безпосередньо передають заплутані фотониги понад сотні кілометрів через оптичне волокно складно через втрати сигналу і декогеренції. Саме там, де квантові повторювачі приходять в гру.

Квантові Повторювачі: розширення зворотного зв'язку

Класичні повторювачі посилюють аналогові сигнали, але квантові повторювачі не можуть просто копіювати квантовий стан через теорему неклонування. Замість них використовують поєднання заплутування і квантової пам'яті для створення довгостійкого заплутування на стадіях. Процес працює наступним чином: Об'єднання довгого волокна посилання на більш короткі сегменти, створення перешкод в кожному сегменті, потім використовувати вимірювання Bell-держави на середніх точках для закручування заплутаності через сегменти. Результатом є заплутана пара, що пропускає повну відстань без сигналу, що подорожує весь шлях. Хоча ще на ранніх стадіях розвитку квантові установки були важливими для створення квантових інтернет-каналів.

Супутникове квантове зв'язку

Ще один підхід до подолання обмеження відстані використовується супутники. Китайський супутник Мікуіус, запущений в 2016 році, успішно продемонстрував розподіл перешкод на 1,200 кілометрах між наземними станціями, а також міжконтинентальні QKD між Китаєм і Європою. Супутні зв'язки не дозволяють отримувати відступне втрату оптичного волокна через довгі відстані через більшість шляху через порожню площу. Ця технологія покладає шлях до глобальної квантової мережі, який може з'єднати материки без необхідності тисяч повторників.

Виклики на шляху до Scalable Networks

Незважаючи на чудовий прогрес, деякі технічні перешкоди залишаються перед квантовим зв'язком, що на основі зуба стає основним напрямком.

Декогеренція та шум

В’язні стани є надзвичайно крихкими. Екологічні взаємодії — з молекулами повітря, домішками волокна або термічними коливаннями — викликають декогерентність, що знищує квантове кореляцію. Підтримання заплутаності з часом і відстані вимагає ультра-низького матеріалу, кріогенного охолодження для деяких типів квітів, а також розширеної корекції помилок. У клітковині, загартованість обмежує практичний діапазон розподілу прямого заплутаності близько 100 км без повтору.

Квантова пам'ять

Критична складова квантових повторювачів – це надійна квантова пам'ять, яка може зберігати заплутані стани для мілісекундів до секунд, а також виконуватися операції повторювача. Поточні спогади на основі атомних ансамблів або трачених іонів мають обмежений час зберігання і точність. Прогрес в цій області прискорюється, з останніми демонстраціями спогадів, що перевищують 1 секунду в кімнатно-температурних системах, але багато робіт залишається.

Стандартизація та інтеграція

Для квантових мереж для перемотування з існуючою класичною інфраструктурою, галузевими стандартами потрібні. Протоколи для заплутаних QKD, наприклад, повинні визначити ключову дистиляцію, автентифікацію та етапи корекції помилок. групаETSI на QKD публікується кілька стандартів, але варіанти на основі енткутментів ще не широко прийняті. Крім того, інтегруючи квантові компоненти з класичних трансеверизаторів та мережних систем непривабливі.

За межами QKD: вступ до розсилки

квантові мережі зв'язку не тільки безпечні класичні дані — вони також дозволять розподілені квантові обчислення. У цій моделі кілька невеликих квантових процесорів, розташованих на різних вузлах обмінних енткутованих станів для колективно розв'язаних задач, які перевищують потужність будь-якого єдиного пристрою. Підігнуті квантові обчислення, де клієнт з обмеженою квантовою здатністю може працювати на віддаленому квантовому сервері без виявлення даних або алгоритму, є ще одним з них додатком. Ці випадки використання спираються на розподілі висотних перешкод і ефективні протоколи телепортації.

Розгортання та експерименти

Поле переходить за академічні лабораторії в реальні випробування світу. DARPA Quantum Network в Сполучених Штатах був ранній демонстрації QKD у декількох вузлах. Європа працює Європейський квантовий інтернет- альянс, який має на меті підключення великих міст з квантовими зв'язками 2030. Китай побудував 2,000 км волокна QKD-назад між Пекіном і Шанхай, доповнений супутником Micius. Ці проекти показують, що технічний фонд є твердим, навіть якщо повний квантовий інтернет ще декап'ят або більше.

Майбутні напрямки

Щодо цього, деякі дослідження, які є критичними:

  • Покращує рівень генерації заплутаних сторін — джерела струму SPDC виробляють мільйони заплутаних пар на другий, але тільки невелика дроба є придатною після обліку для втрати. Яскраві джерела високої чіткості потрібні.
  • Developing Chip-scale квантові пристрої — інтеграція джерел, детекторів, пам'яті на фотонічні чіпси знизять вартість та покращують масштабність.
  • Hybrid квантові мережі — поєднує в собі заплутаність з іншими квантовими ресурсами (наприклад, витискання, кластерні стани) може надавати додаткові переваги для сенсування та обчислення.
  • Стандартизація системних протоколів — для довгострокової безпеки, переміщення за межі перевірених архітектурних умов для повністю пристрою-незалежних QKD буде важливим.

Квантовий енткутмент не просто захоплююча цікавість природи — це практичний ресурс, який нагадує, як ми думаємо про безпечне спілкування та розподілене обчислення. Як дослідники долають виклики декогерентності, повторювачів та інтеграції, мереж на основі ентрангування, ймовірно, стануть критичною частиною глобальної інфраструктури зв'язку, захист даних від навіть найпотужніших майбутніх супротивників.