Квантовая связь, судя по буквальному смыслу, — это применение квантовой науки в области связи.
Эта тема очень сложная, про кванты и связь по отдельности можно говорить целый семестр, поэтому можно объяснить только простыми и не совсем точными аналогиями, потому что точное объяснение требует вывода математических формул. Все популярные объяснения, которые можно сейчас увидеть, являются лишь относительно точными, и их нельзя считать абсолютной истиной.
Квантовая связь делится на два вида в зависимости от того, является ли передаваемая информация классической или квантовой.
Первый вид используется для передачи квантовых ключей, что пока не выходит за рамки оптоволокна.
Второй вид используется для квантовой телепортации и распределения квантовой запутанности.
Телепортация — высшая цель квантовой науки. Проще говоря, это стопроцентное копирование объекта (информации) и передача его в место приема, что означает выбор абсолютно идентичных исходному объекту базовых элементов, создавая точную копию исходного объекта. Но это абсолютно невозможно, потому что в квантовой механике существует неопределенность, не допускающая точного копирования информации.
Эту особенность невозможности полного копирования в народе называют «Бог действительно играет в кости». Нильс Бор в этом вопросе победил Альберта Эйнштейна, абсолютный гений.
В письменном виде это обычно описывается с помощью неравенства Белла, принципа неопределенности и т. д.
Затем, основываясь на этой особенности, появилась квантовая связь, которая в настоящее время в основном значительно повышает безопасность. Что касается телепортации, основанной на квантовой запутанности, то она тоже в планах! Так почему же квантовая связь так безопасна? Все началось с того, что материя состоит из атомов, энергия атомов не изменяется непрерывно, а порциями, и наименьшая порция называется квантом.
Когда мы используем спутник квантовой связи для отправки пароля, мы должны сначала отправить поляризованные фотоны, представляющие бит 1 или 0. Поскольку свет является электромагнитной волной, он обладает корпускулярно-волновым дуализмом, что позволяет разделить свет на фотоны, но в то же время он очень нестабилен и может поляризоваться в неопределенном направлении. В этом случае нам нужно заранее определить угол поляризации, например, поляризация под углом 0 градусов представляет 0, а поляризация под углом 90 градусов представляет бит 1. Затем приемное устройство может пропускать только фотоны, поляризованные под углом 0 и 90 градусов, и даже приемное устройство должно быть предварительно установлено под определенным углом, например, 45 градусов, чтобы успешно принимать правильные биты, а фотоны, поляризованные под другими углами, отфильтровываются.
Но что, если фотон с нулевым углом захочет пройти через отверстие для 0 бит и отверстие для 1 бит? Тогда придется бросать кости, это и есть так называемая «игра Бога в кости».
Таким образом, когда фотоны, испускаемые спутником связи, и направление приемника совпадают, полученные биты будут правильными. Интересно, что угол установки приемника также является случайным. Каждый раз приходится обсуждать вопрос угла установки. Если оба случайны, то будет много неудачно переданных битов. Удалив неудачные биты, мы получим случайный пароль, отправленный в этот раз.
Поскольку за один раз отправляется только один фотон, если кто-то подслушает, это означает, что информация была перехвачена и просмотрена, и получатель обязательно об этом узнает, как уже говорилось ранее.
В квантовой механике не существует понятия полного копирования, невозможно перехватить, а затем передать ту же самую информацию о фотоне, в этом и заключается действие «теоремы о запрете клонирования квантовых состояний» и принципа неопределенности, что обеспечивает шифрование с одноразовым ключом.
Случайная генерация, невозможность прослушивания, невозможность взлома — безопасность квантовой связи, естественно, высока. Текущий метод передачи паролей с помощью квантовой связи называется протоколом BB84.
На данный момент квантовое распределение, имеющееся у человечества, не используется для связи, а только для распределения ключей! Только для распределения ключей!
Квантовое распределение ключей не может активно защищать от прослушивания, а может только пассивно обнаруживать, прослушивает ли кто-то.
Обнаружение прослушивания по-прежнему основано на принципе неопределенности и невозможности клонирования, и это текущее положение дел у человечества.
Текущие квантовые ключи по-прежнему зависят от обычной связи и не могут превышать скорость света. Квантовая запутанность, превышающая скорость света, — это пока только фантазия, невозможно узнать, жив кот или мертв, не открывая коробку! Квантовая телепортация слишком фантастична, идеальное применение квантовой запутанности, вероятно, недостижимо.
В настоящее время коммерциализированы квантовые ключи, а максимальное расстояние распределения квантовых ключей в лабораторных условиях составляет от 260 до 300 километров. Реализация дальней квантовой связи зависит от ретрансляционных станций, которые делятся на квантовые ретрансляторы и доверенные ретрансляторы. Последние уже внедрены в производство, принцип заключается в том, что A передает информацию B, а B передает C, ключ приземляется на промежуточном этапе, что сопряжено с определенным риском.
А квантовые ретрансляторы не приземляются, они используют технологию распределения квантовой запутанности для создания общих запутанных пар между соседними станциями, используют технологию квантового хранения для хранения запутанных пар, а затем используют технологию передачи в свободном пространстве на большие расстояния для реализации преобразования квантовой запутанности с очень высокой точностью.
В настоящее время лучший экспериментальный принцип квантовой телепортации на самое большое расстояние составляет 143 километра, при условии хороших условий окружающей среды на Канарских островах в Испании. Кажется, что это намного лучше, чем передача в атмосфере на 16 километров в столице Китая и на 97 километров в провинции Цинхай.
Но в этом испанском эксперименте слишком много подозрительных моментов, как ни посмотри, похоже на обман, устроенный назло, чтобы побить рекорд Китая.
Чтобы достичь большего расстояния, необходимо избежать атмосферных помех для хрупкого квантового состояния фотонов, необходимо использовать спутники для распределения фотонов, несколько тысяч километров в космосе эквивалентны примерно 8 километрам на Земле, выход в космос неизбежен.
Достижения Китая самые сильные, но он смог реализовать только шестифотонную запутанность, восьмифотонную запутанность и десятибитную суперзапутанность. Даже если на Земле реализована передача на 100 километров, то в космосе теоретически возможна передача на 1000 километров, но до коммерциализации еще далеко.
Система дала руководство, но текущий уровень производства все еще имеет недостатки, и улучшение не может быть достигнуто в одночасье.
Чэнь Сяо совсем не жадный, он решил начать с ретрансляционных станций, превратить доверенные ретрансляторы в квантовые, а затем постепенно перейти от квантовых ключей к квантовой телепортации. Хотя абсолютной стопроцентной точности достичь невозможно, надежность этой штуки действительно высока, и если приблизиться к идеальной квантовой запутанности, то многое можно опустить.
Идея есть, нужно только разделить информацию об исходном объекте на классическую и квантовую, и передать их получателю по отдельным каналам.
После получения можно выполнить копирование. Стоит отметить, что классическая информация — это информация, полученная отправителем в результате некоего измерения исходного вещества, а квантовая информация — это остальная информация, не извлеченная отправителем при измерении.
В этом процессе передается только квантовое состояние исходного вещества, а не сам объект.
Отправитель может даже ничего не знать об этом квантовом состоянии, а получатель переводит другие частицы в квантовое состояние исходного вещества.
В этой схеме нелокальность запутанного состояния играет чрезвычайно важную роль.
Чэнь Сяо не собирается сразу же телепортировать предметы, а занимается только связью, ему не нужно такое совершенство, поэтому сложность, естественно, значительно снижается.
Тогда связь, основанная на квантовой запутанности, станет настоящей квантовой связью в полном смысле этого слова, а сейчас ее можно назвать только связью с использованием методов квантового шифрования, это совершенно разные понятия.
Если квантовая связь действительно будет построена, то не придется беспокоиться о проблемах с сигналом, устройства, оснащенные чипами квантовой связи, смогут понимать информацию, передаваемую другой стороной, просто наблюдая за состоянием квантов на своей стороне, благодаря принципу квантовой запутанности.
Эксперимент был поручен «Changtian Technology» и Академии естественных наук, которые ранее уже занимались этой темой.
Для подстраховки Чэнь Сяо все же пригласил соответствующих авторитетных ученых из Академии наук Китая для обсуждения, среди которых были два ведущих эксперта — Пань Вэй и Лу Ян.
Честно говоря, их команда очень сильна, именно благодаря им Китай лидирует в мире. Когда они получили приглашение, то поначалу отнеслись к нему немного пренебрежительно, думая, как «Changtian Technology» может иметь какое-то отношение к этой области?
Но потом они подумали, что «Changtian Technology» смогла создать управляемый термоядерный синтез и саморазвивающихся существ, так что, возможно, у них что-то есть, поэтому они все же немного надеялись.
Когда началась научная дискуссия, Пань Вэй и Лу Ян поняли, что ошибались, прогресс «Changtian Technology» был примерно таким же, как и у Академии наук Китая.
«Ваше расстояние тоже превысило двести километров?» «Квантовый генератор случайных чисел уже достиг 20 Гбит/с? Это уже немного опережает нас! Жаль, что все еще невозможно добиться настоящей случайности».
«У вас тоже есть экспериментальная платформа для спин-орбитального момента 6 фотонов? Спин и орбитальный момент уже можно передавать одновременно? Вы тоже проводили эксперименты с 8-фотонной и 10-битной суперзапутанностью».
«Вы тоже используете технологию квантового хранения холодных атомов для улучшения функций хранения и считывания при квантовом обмене! Уже можете работать с оптоволокном длиной 350 метров! Это же квантовый ретранслятор, крайне необходимый для дальней квантовой связи, но это расстояние все еще слишком мало».
У Пань Вэя и Лу Яна не осталось ни капли пренебрежения, «Changtian Technology» молча достигла такого уровня, неужели у «Changtian Technology» нет мертвых зон в исследованиях? Они занимаются любыми передовыми областями и добиваются больших успехов.
Несколько лет назад, когда «Changtian Technology» завершала развертывание сетей 4G, она уже экспериментировала с квантовыми технологиями, но из-за отсутствия применения не афишировала это. «Вы так откровенно все опубликовали, мы очень тронуты, честно говоря, нам уже нечем похвастаться, стыдно!» — Пань Вэй говорил правду, если уступаешь, значит уступаешь.
Ответственным за квантовый проект «Changtian Technology» является Гуо Цань.
Этот человек примерно того же возраста, что и Пань Вэй, оба они добились успеха в молодом возрасте. Он очень скромно сказал: «Академик Пань, вы преувеличиваете. Если у вас есть результаты, которые можно опубликовать, значит, есть еще много того, о чем вы не говорите».
«Это все догадки, все находится в стадии эксперимента, пока нет успеха…»
«Вам не стоит быть слишком скромным, на этом этапе догадки зачастую более ценны, чем реальные достижения, возможно, одна подтвержденная догадка, и все предыдущие достижения станут ничтожными. Мы пригласили вас, чтобы поделиться нашими идеями, обсудить их вместе, вдохновить друг друга и раньше достичь теоретического прорыва», — Гуо Цань махнул рукой.
«Хорошо, какие у вас идеи, мы посмотрим, насколько они осуществимы», — Лу Ян был более прямолинеен, он пришел именно ради исследований, а человеческие отношения его совершенно не волновали.
«…»
Гуо Цань на мгновение опешил, а затем раздал материалы с описанием исследовательского проекта. Если Пань Вэй и Лу Ян не смогут понять, то на этой планете никто не сможет.
Когда Гуо Цань получил материалы от Чэнь Сяо, он был в полном недоумении, он понимал эти вещи лишь отчасти, откуда Старший их взял?
Если он сам не до конца понимает, то как он может преобразовать это в новые достижения? Поэтому он с нетерпением ждал приезда Пань Вэя и Лу Яна, как человек, который решил задачу, но не уверен в ответе, и тут как раз пришли два человека примерно такого же уровня, нужно обязательно показать им.
Спустя некоторое время Пань Вэй и Лу Ян нахмурились и долго молчали.
«Ну как? Скажите хоть что-нибудь. С принципом и экспериментальным планом все в порядке?» — Гуо Цань был взволнован.
«Я не до конца понял», — прямо ответил академик Лу Ян.
Академик Пань Вэй тоже покачал головой: «Я как в тумане, вроде бы и эксперимент спроектирован правильно, если бы это был я, я бы тоже так спроектировал. Самый главный вопрос: откуда взялись принцип и идея? Слишком большой скачок, но вроде бы и логично».
Услышав это, Гуо Цань вздохнул с облегчением, оказывается, не только он не был уверен, но и все остальные! Раз все не уверены, то чего бояться экспериментировать? Ни у кого нет стандартного ответа, значит, нужно искать ответ самим.
«Принцип и идея пришли случайно, это интуитивно, поэтому мы и пригласили двух академиков для консультации», — Гуо Цань не сказал, что материалы дал Чэнь Сяо, источник этих вещей в основном должен оставаться в секрете, Чэнь Сяо не хотел привлекать к себе слишком много внимания.
«Есть перспектива, все равно у нас нет никаких идей», — откровенно сказал Лу Ян. Исследования на самом передовом уровне означают, что нужно прокладывать новый путь самостоятельно, без опоры на предшественников.
Пань Вэй был того же мнения, хотя у них были различия в узких специализациях исследований, но в основе лежало применение квантов, если у Лу Яна были проблемы, то и у него, естественно, тоже.
Эксперимент начался очень быстро, действительно, каждая секунда была на счету, счет шел на часы.
Конкретная экспериментальная идея «Changtian Technology» заключалась в использовании сверхмощного лазера в качестве источника света. Преимущество этого заключалось в том, что он был более стабильным, чем слабый когерентный источник света, и квантовое состояние было не так легко изменить.
Недостатком было то, что при запуске лазера фотоны не вылетали по одному, и в этом случае нужно было решить проблему передачи информации фотонами.
Квантовая связь безопасна именно потому, что один фотон равен одному паролю, а если в куче фотонов все несут информацию, то теоретически их легко перехватить и расшифровать.
Таким образом, необходимо обеспечить достаточную мощность отдельного фотона. «Changtian Technology» собирается захватывать определенные фотоны, а остальные фотоны в луче будут эквивалентны топливу при запуске ракеты, выполняя роль движущей силы.
В пучке света захватываются определенные фотоны для шифрования. После получения лазера приемное устройство выполняет многощелевую интерференцию луча, разделяя фотоны, а затем, с помощью поляризационного устройства, получает определенные фотоны. Процесс сложный, но все происходит на скорости света, можно представить себе сложность.
«Генератор квантовых состояний стабилен, продолжаем усиливать, включаем сверхвысоковольтное устройство питания, чтобы обеспечить достаточную мощность лазера!»
«Квантовый канал строится, он уже достаточно стабилен, но расстояние слишком мало».
«Конечно, если бы расстояние не было коротким, мы бы уже давно реализовали квантовую связь!»
«А квантовое тестовое устройство? Включено?»
«Включено!»
«А устройство для записи информации на определенные фотоны? Это же и есть пароль!»
«Включено!»
«Тогда начнем!»
Все очень нервничали, хотя для проверки гипотезы нужно провести множество экспериментов, меняя частоту и угол поляризации, но все надеялись, что получится с первого раза.
Обновлено: 07.04.2026