Китай добился нового прорыва в квантовом распределении ключей «спутник-земля»

Согласно веб-сайту Университета науки и технологий Китая от 20 марта, Пань Цзяньвэй, Пэн Чэнчжи, Ляо Шэнкай из Университета науки и технологий Китая совместно с Цзинаньским институтом квантовых технологий, Шанхайским институтом технической физики Китайской академии наук, Институтом инноваций в области микроспутников и другими подразделениями, исследовательская группа, состоящая из Цзинаньского института квантовых технологий, Шанхайского института технической физики, Китайской академии наук, Института микроспутниковых инноваций и других подразделений, впервые в мире реализовала квантовое распределение ключей между спутником и землей между квантовыми микро-наноспутниками и миниатюрными и мобильными наземными станциями, а также добилась безопасного обмена ключами до 1 миллиона бит во время одного пролета спутника. Исходя из этого, совместная группа сотрудничала с научно-исследовательской группой Стелленбошского университета в Южной Африке, чтобы установить квантовый ключ на расстоянии более 12 900 километров между Китаем и Южной Африкой, а также завершить шифрование и передачу данных изображений «однажды распределенных, зашифрованных один раз». Эта работа прокладывает путь к практическому применению спутниковых сетей квантовой связи. Результаты исследования были опубликованы онлайн в международном академическом журнале Nature 20 марта 2025 года.

Безопасность коммуникаций является важной основой информационной безопасности страны и социально-экономического развития. Квантовая безопасная связь, основанная на квантовом распределении ключей, является единственным методом связи, который может реализовать безопасность «доказуемости теории информации», что значительно повысит уровень передачи безопасности существующих информационных систем. В настоящее время разработана и впервые применена междугородняя квантовая связь метрополитена на основе оптоволоконной линии. Для того, чтобы достичь квантово-безопасной связи на больших расстояниях и даже в глобальном масштабе, необходимо преодолеть присущие оптическим волокнам потери и сложность охвата всего мира. Использование спутниковых платформ для квантового распределения ключей в свободном пространстве может эффективно преодолеть эти ограничения и обеспечить квантовую безопасную связь в глобальном масштабе.

Университет науки и технологий Китая в сотрудничестве с рядом научно-исследовательских институтов провел ряд новаторских исследований в области квантовой связи на наземных станциях спутниковой связи. Экспериментальный квантовый научный спутник «Micius», возглавляемый Университетом науки и технологий Китая, впервые в мире реализовал квантовое распределение ключей спутников и наземных станций и сформировал первую космическую наземную интегрированную широкополосную квантовую защищенную сеть связи с наземной оптоволоконной квантовой магистральной связью «Магистральная линия Пекин-Шанхай», которая полностью проверяет возможность реализации глобальной квантовой связи на основе спутников. В связи с тем, что квантовый спутник «Micius» не может напрямую покрыть мир, а его стоимость высока, запуск нескольких недорогих квантовых микро-наноспутников и реализация работы сети стали насущной необходимостью для создания эффективной, практичной и глобальной сети квантовой связи.

Для достижения этой цели исследовательская группа успешно прорвалась через ключевые технологии, такие как недорогая технология миниатюрного квантового источника света с ложным состоянием, технология извлечения ключей в реальном времени для композитной лазерной связи, а также высокоточное отслеживание и прицеливание на основе спутникового управления ориентацией, а также завершила разработку космической квантовой вычислительной нагрузки с распределением ключей и квантовой микро-наноспутниковой платформы, с весом полезной нагрузки около 23 кг, что примерно на порядок ниже, чем у «Micius», частота источника света увеличена примерно в 6 раз, а своевременность генерации ключа улучшена с нескольких дней до однотрекового кодирования в реальном времени. На основе ряда технологических прорывов 27 июля 2022 года был успешно выведен на орбиту первый в мире квантовый микро-наноспутник «Цзинань-1», разработанный командой. По сравнению с первым поколением наземных станций весом около 13 тонн, исследовательская группа дополнительно разработала миниатюрную систему наземных станций, которая уменьшила вес примерно на два порядка до менее чем 100 кг, которая может быть быстро развернута, может адаптироваться к различным средам, таким как города, горы и плато, и может поддерживать мобильную квантовую связь в принципе.

В этой работе квантовые микро-наноспутники устанавливают оптические связи с наземными оптическими станциями в Цзинане, Хэфэе, Наньшане, Ухане, Пекине, Шанхае и Стелленбоше, Южная Африка, для реализации экспериментов по квантовому распределению ключей со спутника на землю в режиме реального времени. Космический квантовый источник света отправляет в среднем 250 миллионов фотонов сигнала в секунду, а извлечение ключа в реальном времени осуществляется путем объединения оптической связи восходящей и нисходящей линии, а ключ безопасности 250 кбит-1 Мбит может быть сгенерирован в эксперименте по стыковке на пролетной орбите, а средняя скорость передачи данных может достигать 3 кбит/с. Используя спутник в качестве надежного ретранслятора, исследовательская группа также реализовала обмен ключами и ретрансляцию данных между станциями в Пекине и Стелленбош в Южной Африке, которые находятся на расстоянии 12 900 км друг от друга на Земле.

Эта исследовательская работа заложила прочную основу для будущего запуска нескольких микро-наноспутников для создания «квантовой группировки», которая не только обеспечивает ключевую техническую поддержку для построения крупномасштабных практических сетей квантовой связи, но и открывает новый путь развития для глобального развертывания квантового интернета.

Рецензенты Nature приветствовали это достижение как «технически впечатляющее достижение», которое представляет собой «значительный прогресс на пути к созвездиям с доверенными узлами». широко распространенные спутниковые услуги QKD)» и «демонстрирует зрелость спутниковой технологии QKD и представляет собой веху для реализации». спутниковая группировка для квантовой и классической связи)"? Журнал Nature также распространил исследовательский брифинг под названием «Практический скачок к безопасной квантовой связи на больших расстояниях» и известный научный журнал New Ученый) и другие также приняли участие в работе.

Эта исследовательская работа была поддержана Министерством науки и технологий, Китайской академией наук, Национальным фондом естественных наук Китая, провинциями Аньхой, Шаньдун и муниципалитетом Шанхая.

Источник: vk.com

Комментарии: