|
Квантовая коммуникация избавляет от атмосферной помех
|
|
|
|
На пути к созданию сверхбезопасной квантовой связи на большие расстояния стоят две основные проблемы: непредсказуемая природа атмосферной турбулентности и ограничения современных методов коррекции оптического волнового фронта. Исследователи из Оттавского университета под руководством профессора Эбрахима Карими, директора Nexus по квантовым технологиям, в сотрудничестве с Национальным исследовательским советом Канады (NRC) и Институтом науки о свете Макса Планка (Германия) добились значительных успехов в преодолении обоих препятствий.
|
|
|
|
Два их последних достижения — инструмент прогнозирования турбулентности на базе искусственного интеллекта TAROQQO и система высокоскоростной адаптивной оптики (АО) для коррекции турбулентности в квантовых каналах - представляют собой поворотный момент в разработке квантовых сетей свободного пространства.
|
|
|
|
Эти достижения, опубликованные в журналах Optics Express и Communication Physics, предлагают дополнительные решения фундаментальной проблемы атмосферной турбулентности, которая искажает и уменьшает квантовые состояния фотонов при их перемещении по воздуху.
|
|
|
|
В то время как TAROQQO позволяет прогнозировать турбулентность в режиме реального времени для оптимизации условий эксперимента, система быстрой адаптивной оптики активно исправляет ошибки, вызванные турбулентностью, обеспечивая надежную квантовую связь высокой размерности даже в неблагоприятных условиях.
|
|
|
|
|
|
|
TAROQQO и управляемое искусственным интеллектом прогнозирование турбулентности
|
|
|
|
Одной из ключевых проблем квантовой связи в открытом космосе, особенно в спутниковых сетях и сетях внутри городов, является постоянное колебание атмосферы. Это может непредсказуемо нарушить квантовые состояния света, используемые для безопасной связи. Чтобы решить эту проблему, аспиранты Тарик Яуни, Лукас Скарф и доктор Франческо Ди Коландреа разработали TAROQQO - инструмент прогнозирования турбулентности, основанный на рекуррентных нейронных сетях (RNNS).
|
|
|
|
Используя данные о погоде в режиме реального времени, включая влажность, солнечную радиацию, температуру, давление и параметр турбулентности, известный как Cn2, TAROQQO может точно прогнозировать силу турбулентности на 12 часов вперед, обеспечивая временное разрешение с точностью до одной минуты. Это позволяет исследователям предвидеть атмосферные условия и планировать свои квантовые эксперименты в оптимальные сроки, тем самым избегая ненужных потерь и максимизируя эффективность квантовых связей в свободном пространстве.
|
|
|
|
Помимо простого прогнозирования, TAROQQO также позволяет ученым моделировать влияние турбулентности на различные квантовые эксперименты, помогая оптимизировать стратегии развертывания квантовых сетей. Полное программное обеспечение TAROQQO теперь доступно на GitHub—TAROQQO, что позволяет мировому научному сообществу интегрировать прогнозирование турбулентности в свои собственные квантовые исследовательские и коммуникационные сети.
|
|
|
|
"Повышая эффективность, сокращая расходы и обеспечивая более эффективное распределение ресурсов, TAROQQO станет бесценным инструментом для физиков-экспериментаторов", - заявил доктор Франческо Ди Коландреа.
|
|
|
|
В то время как TAROQQO предсказывает турбулентность, второй прорыв команды Оттавского университета напрямую связан с ее влиянием на квантовые состояния фотоны в режиме реального времени.
|
|
|
|
Быстро и точно бороться с турбулентностью
|
|
|
|
Даже при прогнозировании турбулентности некоторые сценарии квантовой связи, такие как связь в открытом космосе и квантовые каналы на базе спутников, требуют немедленной коррекции оптических искажений. Для достижения этой цели исследовательская группа успешно внедрила быструю и точную адаптивную оптическую систему для восстановления квантового состояния фотонов в режиме реального времени.
|
|
|
|
Квантовое распределение ключей (QKD) - это криптографический метод, основанный на принципах квантовой механики, позволяющий двум сторонам безопасно генерировать случайный ключ шифрования и одновременно обнаруживать любое потенциальное подслушивание. Если неавторизованный объект пытается перехватить передачу, сам акт измерения нарушает квантовые состояния, создавая шум и немедленно обнаруживая присутствие злоумышленника.
|
|
|
|
При проведении многомерного QKD (шифрования за пределами 0 и 1) в свободном пространстве атмосферная турбулентность создает шум, который снижает эффективность и, в экстремальных обстоятельствах, делает канал небезопасным, поскольку любой шум присваивается подслушивающим устройствам.
|
|
|
|
Исследователи из Оттавского университета продемонстрировали, что адаптивная оптика (АО) может корректировать эти искажения в режиме реального времени, восстанавливая безопасность канала и обеспечивая передачу квантовой информации в больших масштабах. АО работает с помощью специального деформируемого зеркала, которое может менять свою форму до 3000 раз в секунду, чтобы компенсировать эффекты быстрой турбулентности перед измерением квантовых сигналов.
|
|
|
|
"В нашем контролируемом лабораторном эксперименте мы смоделировали турбулентный квантовый канал в свободном пространстве, чтобы оценить эффективность нашей адаптивной оптической системы. Результаты были поразительными", - сказал аспирант Лукас Скарф. "Без адаптивной оптики турбулентность приводила к ошибкам, которые превышали порог безопасности, что делало невозможным распределение квантовых ключей. Однако с включенной адаптивной оптикой мы успешно восстановили канал, выполнив высокоразмерную QKD и кодируя до трех бит на фотон, что значительно повысило скорость генерации ключей".
|
|
|
|
Эти результаты показывают, что адаптивная оптика представляет собой жизнеспособное решение для практических квантовых экспериментов и создания квантовых сетей, обеспечивающих безопасную связь даже в экстремальных атмосферных условиях.
|
|
|
|
Новаторские разработки Оттавского университета в области прогнозирования турбулентности (TAROQQO) и коррекции турбулентности в реальном времени (AO для QKD) обеспечивают взаимодополняющие решения, которые в сочетании открывают путь к надежной и масштабируемой квантовой связи в свободном пространстве. Действительно, TAROQQO позволяет заранее планировать сеансы квантовой связи, чтобы свести к минимуму сбои, а адаптивная оптика активно корректирует искажения турбулентности в реальном времени, обеспечивая надежное распределение квантовых ключей.
|
|
|
|
Эти прорывы имеют решающее значение для следующего поколения квантовых коммуникаций между землей и спутниками, под водой и в открытом космосе, а также для развертывания квантовых сетей глобального масштаба.
|
|
|
|
Источник
|
