Квантовое распределение ключей (Quantum Key Distribution, QKD) основано на фундаментальном свойстве квантовых частиц: любая попытка перехвата изменяет их состояние и может быть зафиксирована. Этот принцип делает передачу информации абсолютно безопасной. Однако до сих пор инженеры сталкивались с физическим ограничением — ослаблением сигнала в волокне. Даже самые совершенные системы теряли данные после 100 километров, а обычные усилители здесь бесполезны: они разрушают квантовое состояние фотонов.
Команда под руководством профессора Пана Цзяньвэя, одного из пионеров квантовой коммуникации в мире, применила усовершенствованную схему MDI-QKD (measurement-device-independent QKD) с осциллирующими однофотонными источниками и сверхчувствительными детекторами. В результате им удалось не просто компенсировать потери, но и впервые превзойти так называемый предел Пирона-Такенути, описывающий максимально возможную дистанцию передачи квантового ключа при фиксированных потерях сигнала.
Главным техническим достижением стала стабильная синхронизация фаз между двумя независимыми лазерами, работающими на расстоянии десятков километров друг от друга.
Для этого исследователи создали систему активной стабилизации температуры и фазового дрейфа, а также использовали алгоритм выравнивания частот в реальном времени. Такой подход позволил регистрировать отдельные фотоны с вероятностью ошибки менее 0,1% и сохранять согласованность сигнала на протяжении часов.
«Это первый эксперимент, в котором продемонстрировано преодоление фундаментального порога дальности для безопасной передачи квантового ключа по оптоволокну», — отметил Пан Цзяньвэй. По его словам, дальнейшее снижение шумов и использование охлаждённых до криогенных температур детекторов могут увеличить дистанцию передачи до 1 000 километров. «Мы приближаемся к моменту, когда квантовая криптография станет не лабораторным инструментом, а элементом реальной инфраструктуры связи», — добавил учёный.
Ранее та же группа под руководством Пана прославилась запуском первого в мире спутника квантовой связи «Мо-цзы» (Micius), позволившего установить защищённый канал между Пекином и Веной на расстоянии свыше 7 000 километров. Новый эксперимент показывает, что подобные технологии можно реализовать и без космического сегмента — только на основе наземной оптоволоконной сети.
Развитие квантовых коммуникаций имеет стратегическое значение: над подобными системами работают исследователи США, ЕС, Японии и Южной Кореи. Китай остаётся мировым лидером — в 2021 году USTC завершил строительство первой национальной квантовой магистрали длиной более 2 000 километров между Пекином и Шанхаем. Теперь же, благодаря новой технологии, такая сеть может стать полностью автономной и устойчивой к перехвату даже при передаче через старые волоконно-оптические линии.
Эксперты считают, что практическое внедрение технологии позволит создать «квантовый интернет» — сеть, в которой данные защищены не алгоритмами, а законами физики. В будущем такие каналы смогут использовать банки, госструктуры и облачные провайдеры для передачи конфиденциальной информации, а также космические миссии и межконтинентальные системы связи, где безопасность критична.
Как отмечает журнал Nature Photonics, работы USTC подтверждают, что классический предел потерь в квантовой передаче информации — не теоретический барьер, а инженерная задача. Китайские физики доказали, что, оптимизируя источники, детекторы и фазовую стабилизацию, можно выйти за границы, считавшиеся фундаментальными, — и тем самым приблизить эпоху глобальной квантовой связи.
