КВА́НТОВАЯ СВЯЗЬ

КВА́НТОВАЯ 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 разл. кван­то­вых со­стоя­ни­ях.

Об­мен ин­фор­ма­ци­ей ме­ж­ду уда­лён­ны­ми поль­зо­ва­те­ля­ми про­ис­хо­дит с учё­том ти­па КС, ко­то­рые, в от­ли­чие от клас­сич. со­стоя­ний, мо­гут быть не­ор­то­го­наль­ны­ми и пе­ре­пу­тан­ны­ми (сцепленными). Ко­ди­ро­ва­ние клас­сич. ин­фор­ма­ции в не­ор­то­го­наль­ные КС да­ёт воз­мож­ность со­про­во­ж­дать ка­ж­дое со­об­ще­ние соб­ст­вен­ным сек­рет­ным клю­чом, т. е. раз­ре­шить од­ну из осн. про­блем клас­сич. 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 тех­нич. воз­мож­но­стя­ми ле­ги­тим­ных поль­зо­ва­те­лей и по­тен­ци­аль­но­го пе­ре­хват­чи­ка, а за­ко­на­ми при­ро­ды, ос­но­ван­ны­ми на ли­ней­но­сти и уни­тар­но­сти кван­то­вых пре­об­ра­зо­ва­ний и на не­оп­ре­де­лён­но­стей со­от­но­ше­ни­ях (см. 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 вре­мен­ны́х пе­ре­мен­ных. К то­му же ис­поль­зо­ва­ние фо­то­нов как но­си­те­лей ин­фор­ма­ции по­зво­ля­ет при­ме­нять ряд тех­но­ло­гич. до­сти­же­ний в об­лас­ти клас­сич. те­ле­ком­му­ни­ка­ций – оп­тич. во­ло­кон­ные ли­нии свя­зи, все­воз­мож­ные мо­ду­ля­то­ры и пре­об­ра­зо­ва­те­ли оп­тич. 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, напр. квад­ра­тур­ные ам­пли­ту­ды к.-л. 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 оп­тич. про­цес­сов.

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

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

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

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

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

К. с. раз­ли­ча­ют по чис­лу кван­то­вых си­с­тем, во­вле­чён­ных в ко­ди­ро­ва­ние кван­то­вой ин­фор­ма­ции. При од­но­фо­тон­ной К. с. ин­фор­ма­ция ко­ди­ру­ет­ся в со­стоя­ни­ях еди­нич­ных фо­то­нов. При двух­фо­тон­ной К. с. для дис­тан­ци­он­но­го при­готов­ле­ния нуж­но­го со­стоя­ния ис­поль­зу­ет­ся пе­ре­пу­ты­ва­ние па­ры фо­то­нов. Трёх­фо­тон­ная К. с. при­ме­ня­ет­ся для пе­ре­да­чи од­но­фо­тон­но­го КС без не­по­сред­ст­вен­ной свя­зи ме­ж­ду дву­мя про­стран­ст­вен­но-вре­менны́ми 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 клас­сич. дан­ны­ми ме­ж­ду ни­ми. При те­ле­пор­та­ции од­но­го ку­би­та ис­поль­зу­ют два би­та клас­сич. ин­фор­ма­ции. Че­ты­рёх­фо­тон­ная К. с. при­ме­ня­ет­ся для те­ле­пор­та­ции пе­ре­пу­ты­ва­ния или кван­то­во­го об­ме­на пе­ре­пу­ты­ва­ни­ем. Этот тип К. с. очень ва­жен для соз­да­ния кван­то­вых ретранс­ля­то­ров и кван­то­вых по­вто­ри­те­лей (ретранс­ля­тор+кван­то­вая па­мять). Раз­ви­тие К. с. 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. Напр., в кван­то­вой крип­то­гра­фии пред­ла­га­ет­ся ис­поль­зо­вать не ку­би­ты, а сис­те­мы с бо­лее высо­кой раз­мер­но­стью – ку­ди­ты. Наи­бо­лее важ­ные про­то­ко­лы К. с.: кван­то­вая те­ле­пор­та­ция, об­мен пе­ре­пу­ты­ва­ни­ем (те­ле­пор­та­ция пе­ре­пу­ты­ва­ния), кван­то­вая плот­ная ко­ди­ров­ка, кван­то­вое ис­прав­ле­ние оши­бок, кван­то­вая крип­то­гра­фия и др.