Квантовая связь

КВАНТОВАЯ СВЯЗЬ, совокупность методов для передачи квантовой информации, т. е. информации, закодированной в квантовых состояниях (КС), из одной пространственной точки в другую. Носителями квантовой информации являются квантовые системы, которые могут находиться  в  различных  квантовых состояниях.

Обмен информацией между удалёнными пользователями происходит с учётом типа   КС, которые,  в   отличие от классических состояний, могут быть неортогональными и перепутанными (сцепленными). Кодирование классической информации в неортогональные КС даёт возможность сопровождать каждое сообщение собственным секретным ключом, т. е. разрешить одну из основных проблем классической криптографии - безусловно секретное распределение ключей. Свойство перепутанности КС позволяет обеспечить доставку двух идентичных последовательностей битов двум удалённым пользователям с гарантией, что информация, содержащаяся в них, недоступна третьей стороне. И в первом, и во втором случае абсолютная секретность передаваемых данных обеспечивается не вычислительными и техническими возможностями легитимных пользователей и потенциального перехватчика, а законами природы, основанными на линейности и унитарности квантовых преобразований и на неопределенностей соотношениях (смотри Квантовая криптография).

Наиболее подходящими квантовыми системами, используемыми для передачи КС на большие расстояния, являются фотоны. Они распространяются со скоростью света, позволяют кодировать информацию в частотных, фазовых, амплитудных, поляризационных и временных переменных. К тому же использование фотонов как носителей информации позволяет применять ряд технологических достижений в области классических телекоммуникаций - оптические волоконные линии связи, всевозможные модуляторы и преобразователи оптических сигналов.

Состояния фотонов, в которых кодируется информация, выбираются из числа степеней свободы электромагнитного поля, которые могут быть непрерывными и дискретными. Непрерывными степенями свободы обладают квантовые системы с большой (в пределе - бесконечной) размерностью гильбертова пространства, например квадратурные амплитуды какой-либо моды квантованного электромагнитного поля или коллективные состояния ансамбля атомных систем. Перепутанные состояния систем с непрерывными переменными реализуются за счёт использования сжатых состояний света, причём сжатие квадратурных квантовых флуктуаций происходит в результате нелинейных оптических процессов.

Для систем с дискретными переменными размерность гильбертова пространства конечна. Простейшей системой такого типа является двухуровневая система, которая может быть реализована, например, на поляризационных степенях свободы фотона. В состояниях двухуровневой системы физически реализуется квантовый бит информации, называемый кубитом (q-бит, qubit, от английского quantum bit). Протоколы квантовой связи на основе кубитов (под протоколами понимают последовательность действий, приводящих к решению задачи) являются наиболее разработанными.

Любая система квантовой связи состоит из источника квантовых состояний, среды, в которой распространяются эти состояния (канала связи), и детекторов, измеряющих КС. Для генерации КС на отдельных фотонах в основном используют сильно ослабленные лазерные импульсы. Если исходное лазерное излучение имеет пуассоновскую статистику, то, вводя заданное ослабление, можно рассчитать среднее число фотонов в импульсе, а также долю вакуумной, однофотонной, двухфотонной и других компонент. В современных системах квантовой криптографии принято использовать среднее число фотонов на уровне 0,1, т. е. когда в каждом десятом импульсе присутствует примерно один фотон. Неизбежное статистическое присутствие многофотонных компонент ограничивает секретность передаваемых данных.

Перепутанные состояния пар фотонов генерируются в процессе спонтанного параметрического рассеяния (СПР) света. В зависимости от режима СПР перепутывание происходит между разными степенями свободы фотонов. Различают пространственно-поляризационные, частотно-поляризационные, время-энергетические и другие типы перепутанных состояний. В процессе вынужденного параметрического рассеяния генерируются сжатые состояния света - аналог перепутанных состояний при больших интенсивностях излучения.

Среда, в которой распространяются КС, представляет собой волоконно-оптические линии связи или открытое пространство. Стандартные волоконно-оптические линии связи изготавливаются из плавленого кварца и имеют минимальные потери на длинах волн 1,3 мкм и 1,55 мкм. Если каналом связи является открытое пространство, то минимальные потери происходят на длине волны 0,8 мкм и в области 4-10 мкм. Именно на этих длинах волн генерируются оптические КС в зависимости от типа линии связи.

Для измерения КС используются в основном лавинные фотодиоды. В диапазоне 1,3-1,55 мкм это диоды на основе полупроводниковых структур типа InGaAs/InP с квантовой эффективностью около 10%. В диапазоне 0,8 мкм используются кремниевые лавинные фотодиоды с квантовой эффективностью около 50%. Разрабатываются другие типы детекторов, например на основе сверхпроводящих структур. В будущем для записи, хранения и обработки квантовой информации предполагается использовать квантовые интерфейсы и квантовую память.

Квантовые связи различают по числу квантовых систем, вовлечённых в кодирование квантовой информации. При однофотонной квантовой связи информация кодируется в состояниях единичных фотонов. При двухфотонной квантовой связи для дистанционного приготовления нужного состояния используется перепутывание пары фотонов. Трёхфотонная квантовая связь применяется для передачи однофотонного КС без непосредственной связи между двумя пространственно-временными точками за счёт квантовой телепортации. Квантовая телепортация - способ передачи произвольных (заранее неизвестных) квантовых состояний из одной точки в другую, используя перепутанные состояния, распределённые между этими двумя точками, и обмен классическими данными между ними. При телепортации одного кубита используют два бита классической информации. Четырёхфотонная квантовая связь применяется для телепортации перепутывания или квантового обмена перепутыванием. Этот тип квантовой связи очень важен для создания квантовых ретрансляторов и квантовых повторителей (ретранслятор + квантовая память). Развитие квантовой связи перспективно через низкоорбитальные спутники.

Расстояние, на котором гарантируется абсолютно секретная передача информации, ограничивается наличием темновых отсчётов детекторов, неидеальностью источников однофотонных состояний, потерями в линиях связи. Скорость передачи ограничена частотной полосой используемых электронных компонентов, быстродействием и паразитными эффектами в детекторах. Для устранения этих недостатков используются более качественные оборудование, материалы и новейшие технологии, а также разрабатываются новые протоколы. Например, в квантовой криптографии предлагается использовать не кубиты, а системы с более высокой размерностью - кудиты. Наиболее важные протоколы квантовой связи: квантовая телепортация, обмен перепутыванием (телепортация перепутывания), квантовая плотная кодировка, квантовое исправление ошибок, квантовая криптография и др.

Лит.: Килин С. Я. Квантовая информация // Успехи физических наук. 1999. Т. 168. Вып. 5; Физика квантовой информации / Под редакцией Д. Боумейстера и др. М., 2002; Нильсен М., Чанг И. Квантовые вычисления и квантовая информация. М., 2006.