Mokslininkai iš „Peking University“ Kinijoje išsprendė ilgų nuotolių kvantinio ryšio tinklų kūrimo problemą. Naujausiame tyrime jie pademonstravo saugų kvantinį ryšį 2 300 mylių (3 700 km) atstumu.
Nors mokslininkai ir įmonės šiuo metu kuria nuo klaidų apsaugotus kvantinius kompiuterius, šie įrenginiai gali pasirodyti beveik beverčiai, jei negalės tarpusavyje komunikuoti ir perduoti informacijos kvantiniu tinklu.
Todėl tyrėjai paraleliai dirba ir su saugių kvantinių tinklų kūrimu. Didelė dalis pastangų skiriama tam, kad kvantiniai tinklai galėtų naudoti jau egzistuojančią šviesolaidinio ryšio infrastruktūrą. Vis dėlto tokių tinklų plėtrą iki šiol stabdė labai didelė įrangos kaina ir ribotas veikimo nuotolis.
QKD trūkumai
Kvantinių raktų paskirstymas (QKD, angl. Quantum Key Distribution) laikomas auksiniu kvantinio ryšio standartu. Šis metodas iš esmės laikomas neįsilaužiamu, o bet kokie bandymai pasiklausyti tinklo lengvai aptinkami. Tačiau būtent šie QKD privalumai kartu nulemia ir esminį trūkumą – toks tinklas negali vienu metu aptarnauti daugelio naudotojų.
QKD sistemų veikimui būtinas vadinamųjų „patikimų retransliacijos mazgų“ (angl. trusted relay nodes) tinklas, kuris kelyje apdoroja ir perduoda kvantinius raktus. Būtent šie mazgai tampa papildomu pažeidžiamumu kvantiniame tinkle. „Peking University“ tyrėjų komanda nusprendė išvis atsisakyti tokių tarpinių retransliacijos mazgų.
Be to, QKD sistemos paprastai kuriamos kaip unikalūs, individualiai pritaikyti sprendimai, todėl jų gamyba yra itin brangi. Dėl šios priežasties tyrėjai nusprendė remtis technologijomis, kurias būtų galima lengvai gaminti pramoniniu mastu.
Kaip jiems pavyko tai pasiekti?
Serverio pusėje mokslininkai panaudojo vadinamąjį superoptinį šukų generatorių – įrenginį, kuris generuoja itin stabilias lazerio linijas vienodu dažniu. Tai žemo dažnio mikroschema, mažesnė už žmogaus nago plokštelę, leidžianti visiems prijungtiems įrenginiams veikti pagal vienodą, nekintantį laiko etaloną, kurio juostos plotis siekia vos apie 40 hercų.
Kliento pusėje komanda panaudojo 20 nepriklausomų kvantinių siųstuvų mikroschemų. Jose įdiegta visa reikalinga funkcijų rinkinys, kad jos galėtų veikti kaip tarsi telegrafo operatoriai kvantiniu lygmeniu.
Siųstuvai veikė poromis ir gaudavo signalus iš centrinio optinio šukų generatoriaus. Vėliau jie užkodavo informaciją šviesos impulsuose, kurie buvo perduodami per standartinį šviesolaidinį kabelį.
Eksperimente naudotas kabelis buvo maždaug 230 mylių (370 km) ilgio. Tyrimų metu nustatyta, kad mikroschemų moduliatoriai užtikrino 97,5 procento sėkmės rodiklį. Kadangi kiekviena siųstuvų pora galėjo patikimai komunikuoti 230 mylių atstumu, bendra 20 tokių mikroschemų sudaromo tinklo ryšio aprėptis siekė 2 300 mylių (3 700 km).
Tiek serverio, tiek kliento pusės mikroschemos parodė aukštą našumą ir patikimumą. Ne mažiau svarbu ir tai, kad jos buvo gaminamos naudojant pramoninius lustų gamybos waferius, todėl sprendimas yra lengvai pritaikomas masinei gamybai.
Tyrėjai tikisi, kad jų pasiūlytas metodas atvers kelią tarpmiesčiams kvantiniams tinklams, galintiems aptarnauti šimtus naudotojų, nereikalaujant jokių retransliacijos mazgų. Dar svarbiau, kad naudojamas standartinis šviesolaidinis kabelis, todėl nereikia specialios kvantinio ryšio infrastruktūros – tai ilgalaikėje perspektyvoje daro tokius tinklus praktiškai įgyvendinamus.
Vis dėlto komanda pažymi, kad technologija dar nėra pasirengusi realiam diegimui ir šiuo metu veikia tik griežtai kontroliuojamomis laboratorinėmis sąlygomis. Siekdami tai pakeisti, mokslininkai jau pradėjo kitą darbo etapą – jie integruoja vieno fotono detektorius ir optinius dažnio keitiklius į serverio mikroschemą ir plečia mikrošukų kanalų skaičių, kad ateityje būtų galima vienu metu aptarnauti dar daugiau naudotojų.
