Physical Review Letters: квантовый протокол использовали для отслеживания землетрясений.

Ученые Университета науки и технологии Китая выяснили, что метод квантовой криптографии, называемый протоколом полей-близнецов, позволяет обнаруживать мельчайшие вибрации в земле.

Результаты, опубликованные в журнале Physical Review Letters, могут быть использованы в будущем для создания сети, которая не только обеспечит безопасную связь, основанную на квантовом распределении ключей, но будет служить системой отслеживания и оповещения о землетрясениях и оползнях.

Квантовое распределение ключей заключается в том, что две стороны, обменивающиеся зашифрованными сообщениями, способны обнаружить присутствие третьей стороны, пытающейся получить информацию о ключе, с помощью которого можно расшифровать сообщение. Эта третья сторона вынуждена каким-то образом измерить ключ, внося возмущение в квантовую систему и обнаруживая себя. Однако возмущения также могут быть порождены окружающей средой.

Существует несколько протоколов квантового распределения ключей, одним из которых является стандартный протокол BB84. Он заключается в том, что отправитель (традиционно называемый Алисой) посылает получателю (Бобу) ряд случайных битов, закодированных в квантовых состояниях фотонов. Чтобы измерить бит правильно, нужно знать, в каком поляризационном состоянии находился соответствующий фотон, однако Боб не владеет этой информацией, поэтому какие-то биты он определяет правильно, а какие-то нет. Если число ошибок выше некоего допустимого значения, это может указывать на попытку «подслушивания» ключа.

Недостатком BB84 является то, что квантовые сигналы не могут быть усилены, что без использования доверенных узлов приводит к потере битов на длинных дистанциях. Это значительно снижает скорость генерации ключа, что является барьером для создания крупномасштабных сетей, в которых используется квантовое шифрование. Протокол полей-близнецов (англ. twin-field quantum key distribution, TFQKD) задействует третью сторону, которая получает от Алисы и Боба слабые когерентные импульсы и регистрирует их двумя детекторами, проверяя, совпали ли биты в данный момент времени или нет. При этом третья сторона ничего не знает о значении самих битов, поэтому не является доверенным узлом.

Протокол полей-близнецов позволяет ускорить генерацию ключей и распространять их более чем на 500 километров. В новом эксперименте исследователь Цзянь-Вей Пан и его коллеги из Университета науки и технологии продемонстрировали квантовое распределение ключей по 658-километровому кабелю с минимальной потерей данных. Как пишут ученые, при этом важно отслеживать изменения в фазе импульса по всей длине канала из-за влияния окружающей среды, что может быть использовано для обнаружения вибраций.

Исследователям удалось обнаружить искусственную внешнюю вибрацию, воздействующую на канал, и определить положение источника с разрешающей способностью менее одного километра. Так было доказано, что избыточная информация, генерируемая системой квантового распределения ключей по протоколу полей-близнецов, может быть использована для дистанционного измерения вибрации канала, что полезно для создания квантовой сети обнаружения сейсмической активности.