Демонстрация квантовой связи по оптическим волокнам длиной более 600 км

8 июня 2021 г.

от корпорации Toshiba

Кембриджская исследовательская лаборатория Toshiba Europe объявила сегодня о первой демонстрации квантовой связи по оптическим волокнам длиной более 600 км. Этот прорыв обеспечит квантово-защищенную передачу информации на большие расстояния между мегаполисами и станет важным шагом на пути к созданию будущего квантового Интернета.

Термин «квантовый интернет» описывает глобальную сеть квантовых компьютеров, соединенных между собой квантовыми каналами связи на большие расстояния. Ожидается, что это позволит обеспечить сверхбыстрое решение сложных задач оптимизации в облаке, более точную глобальную систему синхронизации и высокозащищенную связь по всему миру. Было объявлено о нескольких крупных правительственных инициативах по созданию квантового Интернета, например, в США, ЕС и Китае.

Одной из самых сложных технологических задач при создании квантового Интернета является проблема передачи квантовых битов по длинным оптическим волокнам. Небольшие изменения условий окружающей среды, такие как колебания температуры, заставляют волокна расширяться и сжиматься, тем самым шифруя хрупкие кубиты, которые кодируются как фазовая задержка слабого оптического импульса в волокне.

Теперь Toshiba продемонстрировала рекордные расстояния для квантовой связи, внедрив новую технику «двухдиапазонной» стабилизации. Это отправляет два оптических опорных сигнала на разных длинах волн, чтобы минимизировать флуктуации фазы в длинных волокнах. Первая длина волны используется для подавления быстро меняющихся флуктуаций, а вторая длина волны, имеющая ту же длину волны, что и оптические кубиты, используется для точной регулировки фазы. После внедрения этих новых технологий компания Toshiba обнаружила, что можно поддерживать постоянную оптическую фазу квантового сигнала с точностью до долей длины волны, с точностью до десятков нанометров, даже после распространения по волокну длиной в сотни километров. Если не отменить эти колебания в реальном времени, волокно будет расширяться и сжиматься в зависимости от изменений температуры, искажая квантовую информацию.

Первым применением двухдиапазонной стабилизации станет квантовое распределение ключей (QKD) на большие расстояния. Коммерческие системы QKD ограничены примерно 100–200 км оптоволокна. В 2018 году Toshiba предложила протокол Twin Field QKD как способ увеличения расстояния и проверила его устойчивость к оптическим потерям с использованием коротких волокон и аттенюаторов. Внедрив технологию двухдиапазонной стабилизации, Toshiba теперь реализовала Twin Field QKD на длинных волокнах и впервые продемонстрировала QKD на расстоянии более 600 км.

«Это очень интересный результат», — комментирует Мирко Питталуга, первый автор статьи, описывающей результаты. «Благодаря новым методам, которые мы разработали, дальнейшее расширение расстояния связи для QKD по-прежнему возможно, и наши решения также могут быть применены к другим протоколам и приложениям квантовой связи».

Эндрю Шилдс, руководитель подразделения квантовых технологий компании Toshiba Europe, говорит: «В последние годы QKD использовался для защиты городских сетей. стран и континентов, без использования доверенных промежуточных узлов. Реализованный вместе со Satellite QKD, он позволит нам построить глобальную сеть для квантово-защищенной связи».

Таро Шимада, старший вице-президент корпорации и директор по цифровым технологиям корпорации Toshiba, размышляет: «Благодаря этому успеху в области квантовых технологий Toshiba готова к дальнейшему быстрому расширению своего квантового бизнеса. Наше видение — это платформа для услуг в области квантовых информационных технологий, которая будет не только обеспечивают безопасную связь в глобальном масштабе, но и такие трансформационные технологии, как облачные квантовые вычисления и распределенное квантовое зондирование».

Подробности разработки опубликованы сегодня в научном журнале Nature Photonics. Работа частично финансировалась ЕС через проект H2020 OpenQKD. В настоящее время команда разрабатывает предлагаемые решения, чтобы упростить их будущее внедрение и развертывание.