Квантовая криптография с непрерывными переменными — важное направление, и ее сердце — протоколы квантового распределения ключей (CVQKD). Но у них есть проблема: они сильно проигрывают в дальности передачи по сравнению с дискретными аналогами. Причин две: во-первых, они слишком чувствительны к шумам в канале, а во-вторых, требуют сложных алгоритмов исправления ошибок, которые еще больше сокращают дистанцию.

Чтобы это исправить, ученые предложили схему с дискретной модуляцией когерентных состояний (DMCS-CVQKD). Она генерирует ключи сразу в дискретном виде, упрощает обработку данных и увеличивает дальность. Но проблема в том, что измерения все равно остаются непрерывными, и выравнивание ключей все еще требует сложных вычислений.

Когерентное состояние — это особый тип света, который ведет себя почти как классическая электромагнитная волна, но подчиняется законам квантовой механики. Его можно представить как лазерный луч с минимально возможными квантовыми флуктуациями. Именно такие состояния используют в CVQKD для передачи информации.

Недавно появился новый подход — протокол с кодированием в базисе (BE-QKD). В нем информация о ключе зашифрована не в самих данных, а в выборе базиса измерений. Это позволяет использовать простую двоичную коррекцию ошибок и, возможно, выдерживать большие потери в канале. При этом физическая реализация та же, что у обычного CVQKD — меняется только обработка данных, так что его можно внедрить без переделки оборудования. Правда, полного анализа безопасности для него пока нет, да и экспериментов не проводили.

Результаты опубликованы в издании Research.

Группа исследователей разработала новый вариант DMCS-CVQKD с кодированием в базисе. Алиса модулирует когерентное состояние, отправляет его Бобу, а тот измеряет его и выбирает базис, в котором закодирован ключ. Затем Боб публикует результаты, а Алиса расшифровывает ключ по заранее заданному принципу.

Ученые проанализировали безопасность схемы против индивидуальных и коллективных атак в линейном гауссовом канале. Расчеты показали, что протокол намного лучше справляется с потерями: при реальном уровне шума он выдерживает на 40 дБ больше, чем обычный DMCS-CVQKD.

Эксперимент на 50,5 км стандартного оптоволокна подтвердил теорию: результаты измерений и уровень ошибок совпали с расчетами. При потерях в 11 дБ удалось достичь скорости генерации ключа 13,12 кбит/с, а теоретический предел для таких параметров — 33 дБ.

Это первый полностью проверенный протокол CVQKD с кодированием в базисе. Он открывает путь к надежной квантовой связи даже в сложных условиях реальных каналов.

• Главный плюс — устойчивость к потерям в канале. В оптоволокне сигнал затухает, и чем длиннее линия, тем сложнее передавать ключи. Если новый протокол действительно выдерживает на 40 дБ больше, это значит, что можно строить квантовые сети без частых повторителей — например, между городами.
• Вторая выгода — совместимость с существующим оборудованием. Не нужно менять лазеры или детекторы — достаточно обновить ПО. Это удешевит внедрение.
• Наконец, упрощенная постобработка снижает нагрузку на вычислительные ресурсы. Вместо сложных алгоритмов — бинарные операции. Это важно для устройств с ограниченной мощностью, например, мобильных узлов.

Отметим, однако, что безопасность протокола проверена только для линейного гауссова канала и ограниченных типов атак. В реальности каналы неидеальны: есть нелинейности, флуктуации, возможны сложные комбинированные атаки. Пока нет доказательств, что схема останется надежной в таких условиях.

Кроме того, эксперимент проведен на 50 км — это уже хорошо, но для магистральных линий нужно хотя бы 100–200 км. Неясно, сохранится ли преимущество в 40 дБ на таких дистанциях.

Ранее мы разбирались, на что способен квантовый компьютер.