Передача информации по оптоволокну на дальние расстояния по классической схеме

Передать информацию на большое расстояния можно путём кодирования сообщений световыми сигналами и передачи их по оптоволокну. Но в оптоволокне сигнал затухает, и его необходимо усиливать. Репитеры (повторители) усиливают световые импульсы через определённые промежутки пути, что делает возможной трансатлантическую кабельную связь. Но тут возникает проблема — такая связь небезопасна. Информация может быть перехвачена, и даже если она зашифрована — шифр может быть взломан.

Передача информации квантовым способом

Квантовая передача информации несколько отличается от обычной. Информация не перемещается, а телепортируется через квантовомеханическую сцеплённость (КС), распределённую по линии. У отправителя есть одна половина КС, а у получателя — другая. КС намного легче создавать на коротких расстояниях, поэтому линия связи сегментируется, и КС создаётся у начала и конца каждого сегмента. Отправитель ожидает создания КС во всех сегментах линии, а затем на стыках меняет сцепленности местами, так что состояние сцепленности распространяется по всей линии. При этом критически важно хранение состояния, и достигнутый учёными рост времени хранения имеет большое значение. Передача информации может происходить, только если квантовая сцепленность присутствует по всей линии. В середине пути передаваемая информация недоступна в принципе, так как хрупкое состояние сцепленности разрушается при попытке прослушки, как и при любой другой манипуляции.

Подпись к изображению: Исследователи Майкл Цугенмайер (слева) и Карстен Дидериксен рядом с экспериментальной установкой

Требуется много квантовых репитеров

Длительность хранения важна, так как распространение сигнала по оптоволокну занимает некоторое время. Состояние сцепленности должно сохраняться в ожидании её очереди передачи по оптоволокну. При этом, ввиду протяжённости таких линий, система должна быть способна работать при комнатной температуре. Исследователи в Институте Нильса Бора сумели довести время жизни состояния квантовой сцепленности до четверти миллисекунды, а за это время свет в оптоволокне проходит 50 километров. «Пятьдесят километров — не очень далеко для межрегиональной связи, но это намного дальше предыдущих достижений», — говорит участник проекта, аспирант Карстен Дидериксен.

На чём основана эта технология

Устройство состоит из небольшого стеклянного контейнера, содержащего атомы цезия, в который можно помещать, хранить и извлекать единичные фотоны в требуемом для репитера квантовом состоянии. Это увеличивает время существования квантового состояния при комнатной температуре в сто раз.

Кроме применения в защищённых квантовых информационных сетях, устройство может служить генератором единичных фотонов для квантового компьютинга.