Результаты описаны в статье «Analysis of the chromatic dispersion effect on subcarrier wave QKD system», опубликованной в журнале Optics Express.
Квантовые коммуникации — в отличие от квантовой информатики и квантовых компьютеров — уже давно вышли за пределы лабораторий и начали внедряться в том числе и на государственном уровне. Например, в партнерстве с ОАО «РЖД» специалисты ИТМО разрабатывают цифровое платформенное аппаратно-программное решение «Квантовая коммуникационная платформа цифровой экономики».
Поэтому сейчас особенно важно решить прикладные задачи, связанные с безопасностью квантовых сетей и качеством передаваемого по ним сигнала. Именно над этим и работают в недавно созданной Лаборатории квантовых процессов и измерений.
Главный вопрос на повестке: можно ли использовать уже существующие линии оптоволоконной связи, и если да, то как решить проблему возникающих в оптоволокне эффектов, негативно влияющих на качество передачи сигнала.
«Поскольку в целом у индустрии есть огромное желание подобные системы интегрировать в уже существующие оптоволоконные линии, необходимо понять, как различные эффекты, которые влияют на классический сигнал, влияют и на квантовый. А проблемы у оптоволокна все те же: затухание сигнала, дисперсия, рамановский шум, различные нелинейные эффекты, которые могут возникать при определенных условиях. Более того, нужно изучить, как будет влиять на квантовый сигнал наличие классического света DWDM каналов — ведь он обладает существенно большей мощностью», — рассказывает Эдуард Самсонов, сотрудник лаборатории квантовых процессов и измерений и один из авторов статьи.
Первым эффектом, влияние которого начали изучать ученые, стала хроматическая дисперсия — именно она приводит к искажениям сигнала при его передаче на расстояния до 300 километров.
Среда, то есть оптическое волокно, через которое проходит лазерное излучение — именно оно используется в качестве переносчика информации в квантовой коммуникации — имеет разный показатель преломления для разных длин волн света. Сам же протокол КРК содержится не на одной спектральной линии, а на множестве боковых частот. Ученые пришли к выводу, что при передаче на большие расстояния различие фазовых скоростей этих частот приводит к существенному спаду мощности сигнала из-за неправильной их интерференции.
«Дальше мы стали думать, как эту проблему можно решить. Самым логичным в данной ситуации нам показалось просто обрезать боковые частоты — попросту говоря, выделить только одну боковую частоту, на которой мы и будем передавать всю информацию. Теория предсказывала, что если так сделать, то проблема дисперсии уйдет. И действительно, когда это решение было имплементировано уже на экспериментальной установке, мы увидели, что видимость интерференции не падает на протяжении всей длины линии», — продолжает Эдуард Самсонов.
Технически это решение реализуется добавлением дополнительных фильтров на стороне как отправителя, так и получателя квантового сигнала. При этом на качество и скорость передачи информации дополнительные модуляции влияют несущественно. Нововведение потребовало полностью пересчитать стойкость системы к атакам — по теории ученых, на уровень секретности решение также не повлияло.
«В том случае, когда мы предлагаем какое-то новое решение, которое фундаментально что-то меняет, нужен пересмотр всей теории — что мы и сделали в статье. Было показано, что с точки зрения секретности протокол будет работать так же хорошо, как и до этого. Фундаментально, никаких недостатков у данного решения нет — с теоретической точки зрения. Практически дополнительная фильтрация вносит дополнительные потери на контактах — ведь любое соединение в линиях оптоволоконных связей всегда приносит какие-то потери, этого не избежать. Но если изначально заложить это в бюджет потерь, то никаких проблем не возникает», — заключает Федор Киселев, научный сотрудник лаборатории квантовых коммуникаций и один из авторов статьи.
Что касается практического применения разработки, то предполагается, что она сможет стать заменой для компенсаторов дисперсии, которые используются сейчас, но стоят очень дорого. Как подчеркивают авторы исследования, их разработка не только дешевле, но в некоторых случаях и эффективнее — по-крайней мере, на более коротких линиях связи.
Сейчас авторы работы продолжают исследования ― в частности, исследователи занимаются расчетами влияния на квантовый сигнал нелинейного рамановского шума. Уже построена математическая модель и сформулированы предварительные выводы, которые теперь осталось проверить экспериментально.
Статья: F. Kiselev, E. Samsonov, R. Goncharov, V. Chistyakov, A. Halturinsky, V. Egorov, A. Kozubov, A. Gaidash, and A. Gleim. Analysis of the chromatic dispersion effect on subcarrier wave QKD system. Optics Express, 2020/10.1364/OE.403293.
