Традиционные технологии квантовых коммуникаций, уже используемые в некоторых местах для создания “невзламываемых” квантовых сетей, используют стандартную двоичную систему счисления, кодируя в одном фотоне один бит передаваемой информации. Некоторое время назад была изобретена технология так называемого многомерного квантового кодирования, которая позволяет сейчас удвоить количество информации, заключенной в одном фотоне света. Это, в свою очередь, позволяет каждому фотону нести одно из четырех значений – 00, 01, 10 и 11, вследствие чего технология получила название квантового 4D-кодирования.
Помимо того, что использование технологии квантового 4D-кодирования позволяет увеличить количество передаваемой информации по экспоненте, она имеет более высокий уровень защищенности по отношению к попыткам преднамеренного вмешательства и обладает большей устойчивостью к влиянию посторонних факторов окружающей среды. До последнего времени технологии квантового 4D-кодирования были реализованы и проверены в виде лабораторных экспериментальных установок, а недавно исследователи из университета Оттавы успешно провели первые реальные испытания, передав зашифрованные сообщения между двумя станциями, расположенными на крышах высотных зданий, расстояние между которыми составляло 300 метров.
С точки зрения технологий квантовых коммуникаций окружающий нас мир является весьма “шумным” местом, заполненным препятствиями, движущимся воздухом и пронизанным электромагнитными сигналами. Поэтому передача сигнала в “шумной” городской среде на расстояние в 3 километра эквивалентна передаче такого же сигнала на спутник с базовой станции, расположенной в тихом изолированном месте. Испытания работы технологии квантового 4D-кодирования на трехкилометровой дистанции и являются следующим шагом, который намерены сделать канадские ученые, и который, согласно их мнению, позволит выявить все недоработки в нынешней реализации технологии.
Вернемся к тесту, проведенному на дистанции в 300 метров. Две станции, установленные на крышах зданий, были помещены внутрь деревянных коробок, защищающих их от непогоды. Уровень ошибок при передаче данных составил 11 процентов, что гораздо ниже уровня, требующегося для организации безопасного квантового коммуникационного канала. С учетом повторов и избыточной информации для коррекции ошибок, система смогла передать в 1.6 раза больше информации, чем система с обычным “двухмерных” квантовым кодированием, работающая в идеальных условиях.
“Наш эксперимент стал первой в мире передачей данных, проведенной при помощи технологии многомерного квантового кодирования в реальных городских условиях, включая непогоду” – рассказывает Эбрахим Карими (Ebrahim Karimi), ведущий исследователь, – “Продемонстрированная нами безопасная квантовая коммуникационная система, работающая на открытом воздухе, способна обеспечить связь со спутниками на орбите и местами на поверхности Земли, куда нецелесообразно прокладывать оптическое волокно. Кроме этого, такая система может служить для организации безопасной связи с движущимися объектами, такими, как самолеты и суда”.
После испытаний системы квантового 4D-кодирования на дистанции в 3 километра, исследователи собираются увеличить дистанцию до 5.6 километров, используя для этого промежуточные станции и систему адаптивной оптики, которая позволит компенсировать все искажения, вносимые атмосферой. А в более долгосрочной перспективе исследователи планируют добавить большее количество “измерений кодирования”, что позволит вместить в один фотон еще большее количество информации.