Появилась межконтинентальная квантовая связь, обеспечиваемая спутником Micius

Совместная китайско-австрийская команда выполнила распределение квантовых ключей между научным спутником Мисиус и несколькими наземными станциями, расположенными в Синлуне (близ Пекина), Наньшане (около Урумчи) и Граце (недалеко от Вены).

Такие эксперименты демонстрируют безопасный обмен криптографическими ключами между двумя наземными пунктами с помощью спутника Мисиус. Используя спутник в качестве надежного реле, секретный ключ был создан между Китаем и Европой в местах, разделенных расстоянием в 7600 км.

Частная и безопасная связь имеет основополагающее значение для использования Интернета и электронной коммерции, и важно создать безопасную сеть с глобальной защитой данных. Традиционная криптография с открытым ключом обычно основывается на вычислительной неспособности некоторых математических функций. Напротив, распределение квантовых ключей (QKD) использует отдельные кванты света (одиночные фотоны) в состояниях квантовой суперпозиции, чтобы гарантировать безусловную безопасность между двумя удаленными сторонами.

Раньше квантовое расстояние связи было ограничено несколькими сотнями километров из-за потерь оптического канала. Многообещающее решение этой проблемы использует спутниковую и космическую связь, которые могут удобно соединять две удаленные точки на Земле со значительно уменьшенной потерей канала, поскольку большая часть пути распространения фотонов проходит через пустое пространство с незначительной потерей и декогеренцией.

Междисциплинарная многоотраслевая группа ученых из Академии наук Китая во главе с профессором Цзянь-Вэем Паном провела более 10 лет разработки сложного спутника Micius, посвященного квантовым научным экспериментам, который был запущен в августе 2016 года и находится на орбите с высотой ~ 500 км. Пять наземных станций в Китае поддерживают связь с спутником Micius. Они расположены в Синлуне (около Пекина), Наньшане (около Урумчи), Делинге (37 ° 22’44.43»N, 97 ° 43’37.01 «E), Лицзяне (26 ° 41’38.15»N, 100 ° 1 ’45 .55»E) и Нгари в Тибете (32 ° 19’30.07»N, 80 ° 1’34.18»E).

В течение года после запуска были достигнуты три ключевых этапа для глобального квантового Интернета: QKD с подключением к станциям на земле, передача QKD на расстояние ~ 1200 км и квантовая телепортация от земли к спутнику. Эффективность каналов в QKD на спутнике была измерена на ~ 20 порядков больше, чем прямая передача через оптические волокна с одинаковой длиной 1200 км. Эти три эксперимента являются первыми шагами к глобальному космическому квантовому Интернету.

Спутниковый QKD теперь объединен с квантовыми сетями, в которых волокна используются для эффективного и удобного подключения многочисленных пользователей внутри города на расстоянии более 100 км. Например, станция Синлун теперь подключена к столичной многоузловой квантовой сети в Пекине с помощью оптических волокон. Совсем недавно крупнейшая волоконная квантовая коммуникационная магистраль была построена в Китае, также командой профессора Паня, связывающей Пекин с Шанхаем (проходя через Цзинань и Хэфэй и 32 доверенных реле) с длиной волокна 2000 км.

Спутник Micius может быть дополнительно использован как доверенное реле для удобного соединения любых двух точек на Земле для обмена ключами с высокой степенью защиты. Чтобы продемонстрировать спутник Micius как надежную платформу для распределения квантовых ключей с различными наземными станциями на Земле, QKD от спутника Micius до наземной станции Гарц недалеко от Вены также был успешно выполнен в июне этого года в сотрудничестве с профессором Антони Зейлингер из Австрийской академии наук.

Таким образом, спутник устанавливает безопасный ключ между собой и, скажем, станцией Синлун, и другой ключ между собой и Грацем. Затем, по запросу с наземных командных станций, Micius действует как доверенное реле. Он выполняет побитовые операции OR между двумя ключами и передает результат на одну из наземных станций. Таким образом, секретный ключ создается между Китаем и Европой в местах, разделенных 7600 км на Земле. Эта работа указывает на эффективное решение для глобальной широкополосной глобальной сети дальней связи.

Из Пекина в Вену была передана картина Миссия (размером 5,34 кБ) и фотография Шредингера (размером 4,9 кБ) от Вены до Пекина, используя безопасный квантовый ключ размером 80 килобайт.

Между Китайской академией наук и Австрийской академией наук была проведена межконтинентальная видеоконференция с использованием протокола Advanced Encryption Standard (AES) -128, который обновлял 128-битные ключи безопасности каждую секунду. Видеоконференция продолжалась 75 минут с общей передачей данных ~ 2 ГБ, которая включала в себя 560 Кбит квантового ключа. Исследование будет опубликовано в Physical Review Letters.