Физики из России выяснили, как можно ускорить "квантовый интернет" - «Наука»

МОСКВА, 1 ноя – Новости Дня. Физики из Российского квантового центра, Математического института РАН и Национального университета Сингапура создали новую методику кодирования сигнала в квантовых сетях связи, которая позволяет заметно сократить количество шума и ошибок при передаче сигнала и ускорить работу квантовых сетей. Инструкции по ее реализации были опубликованы в журнале Physical Review Applied.

"Мы создали более "симметричный" метод исправления ошибок, в рамках которого оба участника, Алиса и Боб, пересылают корректирующие последовательности бит друг другу. В прежних вариантах алгоритмов вся информация шла строго от Алисы к Бобу. За счет этой симметрии мы смогли снизить объем объявляемой информации на 10% и на треть уменьшить число раундов, необходимых для обмена ключами", — рассказывает Евгений Киктенко, сотрудник РКЦ и автор протокола коррекции ошибок. Австралийские физики создали основу для квантового "интернета"

Феномен квантовой запутанности является основой современных квантовых технологий. Это явление, в частности, играет важную роль в системах защищенной квантовой связи – такие системы полностью исключают возможность незаметной "прослушки" из-за того, что законы квантовой механики запрещают "клонирование" состояния частиц света. В настоящее время системы квантовой связи активно разрабатываются в Европе, в Китае, в США.

Первые сети такого рода начали появляться в России примерно три года назад. Первая квантовая линия связи была запущена в Университете ИТМО в 2014 году, когда ученые связали квантовым каналом два корпуса вуза через действующий подземный оптоволоконный кабель. В июне 2016 года Российский квантовый центр заявил о запуске первой "городской" линии связи между двумя отделениями банка, а в сентябре 2016 года МГУ сообщил о соединении двух точек в городах Подмосковья.

Главной проблемой в работе подобных систем, связи, как рассказывают Киктенко и его коллеги, является то, что корректной передаче квантовых ключей мешают различные шумы и помехи, возникающие при передаче сигналов на большие расстояния и без участия злоумышленников. Это заметно уменьшает скорость обмена данными и вынуждает ученых идти на хитрости, позволяющие исправлять часть таких ошибок, не нарушая при этом секретности передаваемой информации.

Для исправления подобных ошибок, как отмечают исследователи, необходим обычный канал связи, информация в котором остается уязвимой для прослушки. По этой причине создатели квантовых сетей используют такие алгоритмы коррекции ошибок, которые передают лишь минимальный объем данных, необходимых для восстановления ключа, по которым его нельзя будет вычислить.

К примеру, многие квантовые сети сегодня находят и исправляют ошибки следующим образом: они разбивают ключ на небольшие блоки, складывают биты в этих блоках между собой, и определяют, является ли эта сумма четной или нечетной. Если эти показатели не совпадают, то информация об этом позволяет найти и скорректировать ошибку подобно тому, как это делается в чипах памяти промышленных компьютеров.

Данная методика, так называемый "каскадный протокол", как объясняют физики из РКЦ, работает достаточно хорошо, однако у нее есть один большой недостаток – она является рекурсивной по своей природе, и для исправления одной ошибки нужно провести множество раундов связи между передатчиком и приемником ключа, что заметно снижает скорость работы сети.

Киктенко и его коллеги создали альтернативную методику коррекции ошибок, которая работает значительно быстрее, используя другой способ проверки четности. В ее рамках отправитель квантового ключа передает адресату не данные по четности каждого блока, а частичную информацию о самом ключе, которая позволяет получателю проверить его целостность и, при некоторой удаче, исправить часть ошибок.

Российские ученые смогли ускорить ее работу, создав протокол, позволяющий передавать подобные фрагменты ключа, так называемые синдромы, не только от отправителя к адресату, но и в обратном направлении. Подобный подход позволяет не только ускорить поиск ошибок на 30%, но и несколько уменьшить объем передаваемых данных, давая меньше шансов злоумышленнику на взлом сети.

Как отмечает пресс-служба РКЦ, ученые уже проверили возможности нового метода на реальной квантовой сети, созданной ранее в Москве, и убедились в ее работоспособности.