Группа ученых из Научно-технического университета Китая и университета Цинхуа в свое время разработали и довели до совершенства протокол обмена информацией под названием SNS-TF (Sending-or-Not-Sending Twin-Field), который является самым эффективным решением для реализации технологии квантового распределения ключей шифрования (quantum key distribution, QKD), работающих на больших расстояниях и использующих оптоволокно в качестве среды передачи информации. Встроенная в этот протокол технология автоматической коррекции ошибок позволила осуществить передачу квантовых ключей на рекордное расстояние в 509 километров, не используя при этом никаких промежуточных усилителей или ретрансляторов сигнала.
Отметим, что разработка протокола SNS-TF была выполнена этой же группой китайских ученых в ходе их предыдущей работы. Уже тогда стало понятно, что этот протокол идеально подходит для реализации технологии QKD, работающей на больших расстояниях. Но для возможности практического использования этого протокола ученым потребовалось некоторое время на его модификацию и доработку используемых аппаратных и программных средств.
Проведенная модернизация аппаратных средств позволила ученым получить беспрецедентный контроль на уровне единичных фотонов, создавая взаимодействия первого порядка между светом двух независимых лазеров. При этом, эти два лазера были синхронизированы с высочайшей точностью при помощи метода так называемого удаленного захвата частоты. Более того, ученым пришлось разработать и изготовить сверхпроводящие датчики единичных фотонов, способные работать с высокой скоростью и обеспечивающие требующуюся разрешающую способность.
“Мы взяли за основу технологию, как правило, используемую для исследований частотно-временного распределения сигналов, и при ее помощи захватили частоту света двух лазеров в сверхузкой “впадине” оптического резонатора” – пишут исследователи, – “В результате этого мы получили очень сильный оптический сигнал, мультиплексируемый по времени, фаза которого являлась носителем квантовой информации. Этот очень яркий свет, попав в оптоволокно, возбудил оптический шум достаточно сильной амплитуды и нам пришлось использовать сразу несколько методов фильтрации для того, чтобы избавиться от влияния этого шума”.
И в заключении следует отметить, что дистанция 509 километров, на которой технология QKD SNS-TF сохраняла стабильность своей работы, более чем в семь раз превышает дистанцию, на которой могли работать другие реализации технологии QKD без использования усилителей и повторителей сигналов. Более того, полученная скорость передачи информации ключей шифрования также превзошла аналогичный показатель других систем, в том числе и работающих в идеальных условиях лабораторных установок.
“В нашей дальнейшей работы мы будем стремиться к увеличению скорости передачи ключей и к увеличению расстояния” – пишут исследователи, – “Однако, технология QKD SNS-TF, в том виде, в котором она существует сегодня, уже годится для создания безопасных квантовых сетей, длина сегментов которых будет находиться в пределах от 200 до 300 километров”.