Ученые отправили «невзламываемые» квантовые ключи на 120 километров

Ученые приблизили квантово-защищенную связь к реальности, создав стабильную систему, которая поддерживала зашифрованные квантовые сигналы в течение нескольких часов на расстоянии более 120 километров по оптоволокну. Credit: Shutterstock

Квантовое распределение ключей (QKD) считается самой продвинутой формой квантовой криптографии, предлагающей путь к практически невзламываемой безопасности для будущего квантового интернета. Одна из перспективных технологий для таких систем — полупроводниковые квантовые точки (SQD), крошечные твердотельные источники света, способные генерировать высококачественные одиночные фотоны для квантовой связи. Эти устройства могут помочь повысить скорость генерации защищенных ключей, а также поддерживать будущие квантовые повторители, необходимые для крупномасштабных квантовых сетей.

Еще одна важная разработка — кодирование во временных блоках (time-bin encoding), метод, который хранит информацию во времени прибытия фотонов. Этот метод особенно привлекателен для дальней квантовой связи, поскольку он естественным образом устойчив ко многим внешним воздействиям, которые могут нарушить работу оптоволоконных сетей.

Стабильное квантовое шифрование на расстоянии более 120 километров

Международная исследовательская группа из университетов Германии и Китая впервые продемонстрировала настоящую QKD-систему с кодированием во временных блоках, работающую на основе телекоммуникационного полупроводникового устройства с квантовыми точками. Результаты были опубликованы в журнале Light: Science & Applications.

В ходе эксперимента ученые генерировали три отдельных кубитных состояния во временных блоках как детерминированно, так и случайным образом, используя самостабилизирующийся кодер. Установка преобразовывала поляризованные одиночные фотоны, производимые квантовой точкой C-диапазона, в закодированные квантовые сигналы. На принимающей стороне фотонные кубиты декодировались с помощью активно стабилизированного интерферометра, содержащего фазовращатель, что позволяло системе работать в течение длительного времени без ручной настройки.

Исследователи успешно передали квантовые сигналы по оптоволоконной линии связи протяженностью более 120 километров между кодером и декодером. Система также продемонстрировала впечатляющую стабильность в течение более шести часов непрерывной работы.

Высокая скорость генерации защищенных ключей с помощью квантовых точек

Эксперимент, подтверждающий концепцию, достиг самой высокой скорости генерации защищенных ключей, когда-либо зарегистрированной для QKD-системы с кодированием во временных блоках на основе высокопроизводительного устройства с квантовыми точками. Источник на квантовых точках генерировал яркие, высокочистые одиночные фотоны с рабочей частотой около 76 МГц.

Даже после прохождения через 120 километров стандартного оптоволокна система сохраняла средний уровень ошибок по квантовым битам ниже 11%. В практических условиях с конечным ключом установка поддерживала среднюю скорость генерации защищенного ключа около 15 бит/с, что считается подходящим для приложений шифрования текстовых сообщений в реальном мире.

Исследователи подчеркнули значимость этого достижения:

«Квантовые точки телекоммуникационного диапазона с усилением Парселла могут обеспечить фотоны высокой яркости, пригодные для междугородной оптоволоконной связи, что делает их многообещающими кандидатами для интеграции в практические QKD-системы».

Кодирование во временных блоках повышает стабильность в реальных условиях

Команда также отметила преимущества кодирования во временных блоках по сравнению со многими существующими QKD-системами на основе квантовых точек, которые могут быть очень чувствительны к внешним воздействиям.

«Большинство существующих QKD-систем на основе квантовых точек уязвимы к изменениям в практическом квантовом канале, вызванным такими факторами окружающей среды, как турбулентность, температура и вибрации. Это требует активной компенсации. Напротив, кодирование во временных блоках, где кубиты кодируются во временном положении одиночных фотонов, обеспечивает внутреннюю стабильность к таким флуктуациям канала даже без сложных протоколов компенсации».

По словам ученых, длительное время бесперебойной работы системы демонстрирует надежность подхода.

«Система работала непрерывно в течение 6 часов, что подчеркивает внутреннюю надежность схемы временных блоков, обеспечиваемую такими компонентами, как интерферометр Саньяка (SNI) и активная обратная связь».

Исследователи утверждают, что эта работа знаменует собой важный шаг на пути к практическим, масштабируемым системам квантовой связи, которые в конечном итоге смогут поддерживать защищенные квантовые сети в реальных условиях.

«Этот результат подчеркивает возможность интеграции однофотонных источников на квантовых точках в стабильные и пригодные для полевого развертывания QKD-системы с кодированием во временных блоках, что является важным шагом на пути к масштабируемым, квантово-защищенным сетям связи на основе твердотельных однофотонных эмиттеров».

Источники:

Материалы предоставлены Light Publishing Center, Changchun Institute of Optics, CAS.

Jipeng Wang, Joscha Hanel, Zenghui Jiang, Raphael Joos, Michael Jetter, Eddy Patrick Rugeramigabo, Simone Luca Portalupi, Peter Michler, Xiao-Yu Cao, Hua-Lei Yin, Lei Shan, Jingzhong Yang, Michael Zopf, Fei Ding. Time-bin encoded quantum key distribution over 120 km with a telecom quantum dot source. Light: Science, 2026; 15 (1) DOI: 10.1038/s41377-026-02205-9