Физики с помощью протокола квантовой связи BB84 зашифровали сообщение и передали пучком света под водой с турбулентным течением на 30 метров. По полученным оценкам максимальное расстояние работы линии зашифрованной связи может составлять до 80 метров. Препринт работы опубликован на сайте arxiv.org.

С развитием квантовых компьютеров и алгоритмов (например, алгоритм Шора способен за логарифмическое время — время обработки растет, как логарифм числа, — разложить большое число на два простых множителя для взлома ключа алгоритма шифрования RSA) все более актуальными становятся квантовые алгоритмы шифрования информации.

С момента реализации протокола BB84 в 1984 году квантовое распределение ключа шифрования стало наиболее надежным вариантом для защищенной связи.

На сегодняшний день ученые разработали коммерчески доступные устройства с квантовым распределением ключа через оптоволокно и новые протоколы для увеличения безопасности и частоты обновления ключей, а также провели эксперименты по квантовой передаче через канал спутниковой связи.

Многие протоколы имеют преимущество за счет многомерных квантовых состояний. Квантовая информация обычно кодируется на одном из компонентов степеней свободы фотона — поляризация, запаздывание, позиция и поперечный момент. Но можно использовать и несколько степеней свободы для образования более сложной структуры состояния фотона, например, когерентная комбинация поляризации и орбитального углового момента создает состояние фотона, которое используют в микроскопии, оптических пинцетах, классической и квантовой связи. Подробнее про принципы квантовой связи можно прочитать в нашем материале «Квантовая азбука: „Телепортация“».

Ученые реализуют протоколы квантового распространения ключа через каналы в свободном пространстве, однако в последнее время исследователи решают проблему защищенного обмена информацией между подводными исследовательскими аппаратами и кораблями на поверхности воды.

Поглощение водой волн радиодиапазона привело к доминированию акустической технологии в обмене информацией под водой, но между 400 и 500 нанометрами есть окно прозрачности, в котором возможна квантовая и оптическая связь.

Теоретические расчеты показывают, что максимум распространения информации в спокойных условиях — 300 метров при длине волны в 418 нанометров, чего достаточно для связи с исследовательскими аппаратами. Однако в водной среде нельзя не учитывать турбулентное течение, которое локально изменяет коэффициент преломления воды и приводит к смещению и искажению луча света. А потому ученые оптимизируют протоколы для увеличения расстояния связи и скорости обмена ключами.

Фредерик Бушар (Frederic Bouchard) с коллегами из Университета Оттавы исследовал канал подводной связи на расстоянии до 30 метров в условиях больших потерь информации. Ученые приняли во внимание вклад турбулентности и протестировали протокол BB84 в двух вариациях: поляризационной и двумерной структуре фотона.