Учёные создали однофотонный космический канал

Необычный эксперимент, проведённый международной группой учёных под руководством физика Паоло Виллорези (Paolo Villoresi) и астронома Чезаре Барбиере (Cesare Barbieri) из университета Падуи (Università degli Studi di Padova), прокладывает дорогу к созданию каналов связи космических масштабов, закрытых при помощи квантовой криптографии.

Напомним, кратко, что в основе квантовой криптографии лежат свойства отдельных фотонов, которые переносят ключ. Его нельзя перехватить (и повторно переслать) на середине так называемого квантового канала, не повлияв на информацию, так что перехват всегда будет обнаружен.

Различные опыты в этой сфере проводились давно (смотрите, к примеру, этот, этот и этот материалы). Причём исследователи всё время старались нарастить расстояние, на которое по оптоволокну ли, или прямо по открытому воздуху, предавался ключ. Ведь, в конечном счёте, данную схему шифрования хотелось бы применять для передачи секретных сообщений между реальными пользователями, находящимися на удалении друг от друга.

Единичные рекорды передачи квантовых ключей уже измеряются десятками километров и даже больше сотни, а вот Виллорези и Барбиере замахнулись на "космический" квантовый канал в 1,5 тысячи км длиной, и на практике показали принципиальную возможность установления такой необычной связи.

Для своего опыта они воспользовались обсерваторией лазерной телеметрии (MLRO) центра космической геодезии в Матере (CGS), принадлежащей итальянскому космическому агентству (Agenzia Spaziale Italiana). Оттуда учёные посылали к различным спутникам луч лазера и ловили отражённый свет.

В качестве целей были выбраны несколько аппаратов, оборудованных уголковыми отражателями: американские Lageos и Beacon-C, японский Ajisai и франко-американский Topex-Poseidon.

Особенностью опыта была отправка к спутнику слабого лазерного луча, из которого возвращалось так мало света, что в среднем на каждый посланный импульс приходилось меньше одного отражённого фотона, попавшего обратно в "око" установки (остальные фотоны разбегались кто куда). Это позволило исследователям имитировать наличие на спутнике "однофотонного" источника излучения, который мог бы, к примеру, пересылать на землю квантовый ключ.

Экспериментаторы смогли идентифицировать индивидуальные фотоны, отражённые от Ajisai, обращающегося по орбите с перигеем в 1485 километров, о чём и поведали в статье в журнале New Journal of Physics (смотрите также новость института физики — IOP).

И хотя большой уровень потерь в этом двухстороннем канале не позволил учёным фактически передать квантовый ключ, данный опыт доказал возможность (при некотором усовершенствовании техники) построения, по словам авторов работы — "в ближайшем будущем", каналов связи между землёй и низкоорбитальными спутниками, шифрованных при помощи квантовых ключей.

Также на космических расстояниях можно будет проводить различные опыты, связанные с квантовой физикой (возможно — по квантовой телепортации).