不要なノイズのない量子通信

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不要なノイズのない量子通信
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Anonim

ケンブリッジ大学の東芝研究センターの科学者たちは、量子通信において別のブレークスルーを成し遂げたようです。画期的なレベルは、彼らの記事がトップネイチャーで出版されたという事実によって証明されています。この記事の著者は、量子鍵配送(QKD)を使用して暗号化されたデータを、従来の商用光ファイバーを介して「制御されたノイズ」で550 km送信できたと主張しています。これは、量子リピーターを使用しません。つまり、チャネルの「厚さ」とデータ送信距離の比率の特定の制限をなんとか超えました。

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これがどれほど重要であるかを理解するために、新しい作業で説明されている量子鍵配送とは何かを見てみましょう。

通常、量子暗号に関しては、個人的にチャットしたいアリスとボブと、彼らの話を聞きたいイブの3人に頼っています。アリスとボブがメッセージの長さと同じ長さのキーを共有している場合、イブは通信を読み取ることができないというバーナムの定理があります。しかし、これを知っていると、すべての正しいスパイは通常、アリスとボブがそれを配布しているまさにその瞬間に秘密裏に鍵をコピーしようとします。

ここで、量子の世界が私たちの助けになります。そこでは、未知の量子状態のクローン作成(読み取り:コピー)が禁止されています。はい、はい、ここではまったく同じ量子もつれについて話しています。これに基づいて、1984年に、チャールズベネットとジルブラッサールは、BB84プロトコルを開発する量子鍵配送システムを提案しました。

これは実際にはどういう意味ですか?実際、アリスはボブに個々のフォトンを送信します。これには、たとえば、4つのタイプの偏光(垂直、水平、2つの対角)のいずれかがあります。

たとえば、垂直偏光と水平偏光は、一方の測定方法では「ゼロ」と「1」をエンコードし、2つの対角偏光はもう一方の測定方法では「ゼロ」と「1」に対応します。次に、ボブは光子の状態を測定する方法をランダムに選択します。光子の準備と測定の方法が一致する場合にのみ、アリスとボブは受信したビットを秘密暗号化キーに書き込みます。偏光の代わりに、光子の位相の変化を使用できます。

しかし、いくつかの根本的な問題があります。まず、単一光子を送ることができるデバイスの問題があります。実際には、商用の量子通信回線は非常に弱いレーザーパルスを使用することがよくありますが、単一光子源の開発も進んでいます。そして第二に、信号伝送は個々の光子によって行われるため、ノイズの問題が発生します。光ファイバの加熱方法(熱光子)の加熱方法、曲げ方の違いなどがあります。

したがって、現時点では、距離に応じて、量子通信のスループットにデバイスに依存しない制限があります。実際には、これは標準ケーブルで50 kmの距離で1.26メガビット/秒であり、-比較-1、16ビット/時(!)超低データの特別なケーブルで404 km(シンボリック)の距離で損失。

例を次に示します。昨年8月、中国の研究者は同じ自然の中で、宇宙と地球の間の量子暗号プロトコルの実装に関する実験の結果を発表しました。そして、衛星「墨子」から、1200キロの距離で300キロバイト以上の秘密鍵を送信することができました。これは、地球近傍空間と大気の上層の両方がほとんど静かであるために可能になりました。 1200キロメートルを超える通常のファイバーでは、ふるいにかけられたキーの1ビットが送信されるのに約60億年かかります。

信号をより遠くに送信するために、量子通信の専門家は量子リピーターに取り組んでいます。これらは量子リピーターだと思われるかもしれませんが、実際には、動作原理はまったく異なります。

量子の世界では、量子状態を複製することは不可能であるとすでに述べました。しかし、電磁信号の通常のリピーター(たとえばラジオ)はまさにこれを行います:それは信号を感知してそれを再び再生します。そのような量子メッセージを処理することはできません。したがって、量子フォロアは、元の信号(キュービット)を格納できる通常の量子コンピューターに近いものです。しかし、これまでのところ、量子リピーターは実際には将来の問題です。

それでは、ケンブリッジの記事に戻りましょう。

私たちが覚えているように、アリスはボブにフォトンを送っています。つまり、アリスにはレーザーがあり、ボブには光子検出器があります。しかし、著者は、真ん中に位置するチャーリーを方程式に導入することを提案しています。チャーリーは「外部委託」されており、検出器が与えられています。アリスとボブの両方が、チャーリーで結合される位相ランダム化された光場を生成します。同じランダム位相で送信されるフィールドは「双子」であり、量子鍵を抽出するために使用できます。

この「2フィールド」量子鍵配送(TF-QKD)のスキームでは、信号損失の距離への依存性は同じですが、この巧妙な動きにより、さらに550キロメートルにわたって許容可能なノイズを維持することができます。確かに、ブレークスルー!

事実、提案された方式では、「ノイズ」は位相シフトのドリフト(クリープ)であり、チャーリーステーションが位相変調器として機能してドリフトを補正する場合に補償することができます。これにより、従来の光ファイバーを介した「ノイズを制御した」量子通信が可能になります。これは、量子リピーターを使用しないと不可能でした。

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