Как работает сертификация состояний квантового интернета?

Аппаратно-независимая сертификация квантовых состояний работает путем проверки целостности квантовых сигналов без необходимости доверять внутренним механизмам или принципам «черного ящика» используемого оборудования. Этот процесс опирается на наблюдаемую статистику измерений, такую как нарушения неравенств Белла, чтобы подтвердить соответствие квантового состояния целевому значению, обеспечивая высокую безопасность квантовой криптографии и надежную передачу данных даже при использовании нехарактеризованных компонентов. Устраняя требование об общей случайности между устройствами подготовки и измерения, исследователи могут достичь более высокого уровня «недоверенной» безопасности в сложных сетях.

Гонка за создание глобального Квантового интернета достигла критической точки, когда простого двумерного кубита — квантового эквивалента двоичного бита — уже недостаточно для высокоскоростной и высокоемкой связи. Чтобы преодолеть эти ограничения, ученые обращаются к высокоразмерным квантовым состояниям, которые могут переносить значительно больше информации на одну частицу. Однако по мере усложнения этих состояний возрастает и сложность их проверки. Традиционные методы сертификации часто предполагают, что устройства, используемые для подготовки и измерения состояний, идеально откалиброваны или имеют общий источник случайности — допущение, которое редко выполняется в реальных децентрализованных сетях.

В новаторском исследовании, опубликованном учеными Zhe Sun, Yong-Nan Sun и Franco Nori, была создана новая экспериментальная база для сертификации этих сложных состояний с использованием независимых квантовых устройств. Это исследование представляет собой значительный шаг вперед, поскольку оно позволяет проводить сертификацию квантовых ансамблей по принципу «черного ящика» без предварительной синхронизации или общей случайности между аппаратными компонентами. Эта методология необходима для будущего Квантового интернета, где различные узлы, принадлежащие разным организациям, должны безопасно взаимодействовать без безусловного доверия к оборудованию друг друга.

Каковы области применения «закрученного света» в квантовых технологиях?

«Закрученный свет», или орбитальный угловой момент (ОУМ), обеспечивает сертификацию высокоразмерных квантовых состояний, позволяя увеличить пропускную способность и емкость данных в рамках Квантового интернета. Его основные области применения включают повышение производительности квантового распределения ключей (КРК), содействие надежному распределению запутанности на большие расстояния и предоставление масштабируемой архитектуры для протоколов безопасной аппаратно-независимой связи в глобальных сетях.

Орбитальный угловой момент (ОУМ) относится к физическому свойству света, при котором волновой фронт фотона закручивается в геликоидальную или спиральную форму при распространении. В отличие от стандартной поляризации, которая ограничена двумя измерениями, ОУМ предлагает теоретически бесконечное гильбертово пространство, что означает, что один фотон может существовать в высокоразмерном состоянии. «Закручивая» свет, исследователи могут кодировать огромные объемы данных в различные степени вращения, фактически создавая «кудиты» вместо «кубитов». Эта размерность является ключом к масштабированию пропускной способности будущих оптических сетей.

Исследовательская группа использовала эти состояния ОУМ одиночных фотонов для проверки своего протокола сертификации в экспериментальной установке типа «подготовка-измерение». Сосредоточившись на высокоразмерном орбитальном угловом моменте, команда смогла продемонстрировать, что плотность информации можно масштабировать без ущерба для возможности проверки подлинности сигнала. Это особенно актуально для фотоники, так как системы на основе ОУМ могут быть интегрированы в существующую оптоволоконную инфраструктуру или спутниковые каналы связи в свободном пространстве, обеспечивая универсальную платформу для квантовой криптографии.

Могут ли квантовые сигналы выдерживать атмосферный турбулентный шум?

Квантовые сигналы могут выдерживать атмосферный турбулентный шум при сертификации с помощью надежных протоколов высокоразмерных состояний, которые учитывают воздействие окружающей среды и перекрестные помехи. Экспериментальные результаты показывают, что даже под влиянием атмосферной турбулентности сертификация квантовых состояний остается достижимой, гарантируя, что сигналы «закрученного света» могут быть проверены и использованы для безопасной связи в реальных условиях открытого пространства.

Атмосферная турбулентность долгое время была серьезным препятствием для квантовой связи в свободном пространстве, поскольку изменение плотности воздуха и колебания температуры могут искажать тонкие фазовые и интенсивностные профили «закрученного света». Эти искажения приводят к перекрестным помехам, когда информация из одного квантового состояния перетекает в другое, потенциально разрушая запутанность или закодированные данные. Чтобы Квантовый интернет мог функционировать в глобальном масштабе, сигналы должны иметь возможность перемещаться по воздуху — между зданиями или с земли на спутники — без потери своих квантовых свойств.

В этом эксперименте Zhe Sun и исследовательская группа специально изучили влияние турбулентного шума на процесс сертификации. Они обнаружили, что, хотя шум и создает определенные трудности, протокол высокоразмерной сертификации сохраняет устойчивость. Исследователи измерили матрицы перекрестных помех и рассчитали параметры сходства для состояний размерностью до десяти, доказав, что математический «отпечаток» квантового состояния все еще может быть извлечен и проверен, несмотря на хаотическое вмешательство атмосферы. Эта надежность является жизненно важным требованием для внедрения сертификации квантовых состояний в непредсказуемых средах.

Экспериментальный прорыв: Сертификация независимых устройств

Сертификация независимых устройств достигается тогда, когда устройство подготовки состояний и устройство измерения работают без какой-либо общей случайности, обеспечивая полу-аппаратно-независимый сценарий. В исследовании под руководством Franco Nori и его коллег команда достигла поразительной верности подготовки и измерения в 99,0% для шестимерных квантовых состояний. Такой уровень точности указывает на то, что сигналы были почти идеальным представлением намеченной квантовой информации, даже когда устройства рассматривались как «черные ящики».

• Высокая верность: Команда зафиксировала показатель верности 99,0% для 6D-состояний, что свидетельствует о чрезвычайно низком уровне ошибок.
• Масштабируемость: Экспериментальные исследования были расширены до десяти измерений с измерением матриц перекрестных помех для обеспечения целостности данных.
• Отсутствие общей случайности: Протокол предполагает, что оборудование для подготовки и измерения независимо, что критически важно для предотвращения атак по сторонним каналам в квантовой криптографии.
• Сертификация ансамбля: Исследование предлагает метод сертификации всего ансамбля состояний, а не только отдельных частиц, что повышает эффективность процесса проверки.

Этот «полу-аппаратно-независимый» подход сокращает разрыв между полностью аппаратно-независимыми (DI) протоколами, которые крайне сложно реализовать на больших расстояниях, и аппаратно-зависимыми протоколами, требующими полного доверия к оборудованию. Позволяя использовать независимые устройства, исследователи открывают путь производителям к созданию квантового оборудования, которое может быть проверено конечным пользователем независимо от стандартов безопасности производителя или внутренних конфигураций.

Значение для будущего Квантового интернета

Масштабирование Квантового интернета требует не только более быстрой передачи данных; необходим фундаментальный уровень доверия и проверки, способный обрабатывать высокоразмерные данные. Способность сертифицировать состояния ОУМ с верностью 99% гарантирует, что по мере перехода к 10D, 20D или даже более высокоразмерным системам безопасность данных останется нетронутой. Это имеет глубокие последствия для безопасных финансовых транзакций, правительственной связи и квантовой генерации случайных чисел, где чистота квантового состояния является высшим гарантом случайности.

Сотрудничество между такими исследователями, как Franco Nori, являющимся ведущей фигурой в квантовой информатике, и участвующими экспериментальными группами, подчеркивает междисциплинарные усилия, необходимые для воплощения этих теорий в жизнь. По мере совершенствования этих протоколов сертификации они, вероятно, будут интегрированы в стандартизированный «стек» технологий квантовых сетей. Успешное преодоление атмосферного турбулентного шума также говорит о том, что мы ближе, чем когда-либо, к созданию спутникового Квантового интернета, который сможет обслуживать всю планету, минуя физические ограничения оптоволоконных кабелей.

Заглядывая вперед, следующая фаза этого исследования, вероятно, будет сосредоточена на увеличении размерности свыше десяти и тестировании протоколов сертификации на еще больших расстояниях. Улучшая матрицы перекрестных помех и параметры сходства, ученые стремятся создать систему сертификации типа «plug-and-play» для любого высокоразмерного квантового состояния. Это обеспечит то, что будущее глобальной коммуникации будет не только быстрее и мощнее, но и фундаментально более безопасным, чем всё, что возможно с классическими технологиями.