По оценкам Геологической службы США (USGS), ежегодно в мире происходит 500 тысяч землетрясений. Большинство из них слишком слабы, чтобы их можно было почувствовать. Однако некоторые могут вызвать обрушение больших зданий, перекрыть доступ к электричеству, воде и коммуникационным сетям. Также могут вызывать разрушительные оползни. Обнаружение сейсмических явлений является важнейшим вопросом. Китайская команда недавно продемонстрировала, что квантовая коммуникационная сеть будет достаточно чувствительной для обнаружения крошечных вибраций, являющихся признаками потенциальных землетрясений. Это открытие предполагает еще одно возможное применение для будущей защищенной квантовой сети.
В эпоху сверхвысокой пропускной способности защищённые связи приобретают огромную важность. Квантовые технологии предлагают переворот в обеспечении безопасности коммуникаций. Квантовая сеть связи строится на квантовом распределении ключей (QKD). Это набор протоколов, которые позволяют распространить ключ шифрования между двумя удалёнными сторонами. Безопасность передачи обеспечивается законами квантовой физики и теорией информации.
Сеть состоит из локальных узлов квантовой связи между двумя пользователями. Эти точки соединения генерируют фотоны для передачи информации. Квантовые свойства этих световых частиц позволяют им преодолевать большие расстояния по оптическому волокну. Квантовое распределение ключей использует лазеры для передачи ключей и данных. Квантовые свойства фотонов в лазерных лучах кодируются двоично (с помощью 1 и 0). Наблюдение третьей стороной меняет квантовые свойства, делая ключи бесполезными.
Недавно группа исследователей из Китая под руководством Цзянь-Вэй Пана из Университета науки и технологий Китая пыталась сократить количество узлов для передачи информации между сторонами без потерь данных. Сверхчувствительность, продемонстрированная исследователями, может быть использована для обнаружения изменений в волокне, таких как незаметные толчки. Это свойство делает его потенциально полезным для обнаружения землетрясений и оползней. Результаты опубликованы в журнале. .
Квантовая решетка с двойным полем
Группа исследователей работала над квантовым распределением ключей с двойным полем (TF-QKD), востребованным протоколом для безопасного шифрования на больших расстояниях, использующим фотонные помехи. Данный подход обеспечивает дальнее безопасное распределение ключей за счет сокращения количества доверенных узлов в квантовой сети протяженности в большие масштабы.
Эксперимент TF-QKD включает две оптические конфигурации, A и B, расположенные на концах оптического волокна. Каждая генерирует случайную последовательность битов (0 и 1) и посылает её в виде оптического сигнала через оптоволокно узлу C. В узле C сигналы интерферируют (фотонная интерференция), а полученные оптические сигналы направляются обратно в A и B, которые применяют результаты интерференции для создания общего ключа.
Применив этот принцип, Цзянь-Вэй Пан и соавторы впервые продемонстрировали работу TF-QKD в лабораторных условиях с применением оптического волокна, намотанного на катушки. В результате им удалось передать зашифрованные данные по кабелю длиной 658 километров с минимальными потерями информации. Это одно из самых больших расстояний, пройденных любой системой QKD на данный момент.
Обнаружение фотонных помех подразумевает постоянный мониторинг световых сигналов, которыми пользователи обмениваются по каждому оптоволоконному каналу. Авторы пришли к выводу, что непрерывный поток данных можно использовать для определения вибраций вдоль волокна. По их словам, восстановление данных обнаружения вибрации возможно без введения новых волоконно-оптических или аппаратных ресурсов в сеть TF-QKD.
Учёные создали систему коррекции фазовых флуктуаций фотона, проходящего через волокно, как это обычно делают для метода TF-QKD. Если при резком движении длина волокна на одном конце кратковременно увеличивается, то вместо пика на промежуточный узел приходит провал световой волны. Поэтому система TF-QKD постоянно вносит коррективы, чтобы погасить фазовые колебания. Именно этого добились авторы при разработке своей системы TF-QKD. Любые нарушения в окружающей среде, такие как вибрации в грунте или колебания температуры, также влияют на фазу и потенциально могут быть обнаружены.
Исследователи установили пьезоэлектрическое устройство для демонстрации возможности обнаружения сейсмических колебаний. Устройство перемещает волокно между двумя точками с частотой от 1 до 1000 Гц, что совпадает с диапазоном частот сейсмических явлений. Вибрации вызывают изменения фазы в интервале от 0,9 до 50 радиан, которые фиксирует система компенсации колебаний.
Команда провела сходный тест на канале калибровки частоты — отдельном волокне, нужном в системах TF-QKD для фиксации частот лазеров с обоих концов. Исследователи использовали эту связь для определения местоположения источника вибрации с точностью до 1 км. В заключении говорится: Полученные результаты не только установили новый рекорд по расстоянию распределения квантовых ключей, но и показали возможность использования избыточной информации из TF-QKD для дистанционного зондирования вибрации канала. Это может быть применено для обнаружения землетрясений и мониторинга оползней помимо обеспечения безопасной связи. «.
Исследование входит в серию работ, основанных на одной концепции. В 2018 году для обнаружения землетрясений использовались подводные телекоммуникационные волокна. Передача данных должна быть быстрее, чтобы технология интегрировалась в сеть квантовой связи и применялась для обнаружения землетрясений. К 2021 году Китай объявил о развертывании первой в мире интегрированной сети квантовой связи. Внедрение системы обнаружения на этой сети – вызов для Китая, одной из стран, наиболее подверженных землетрясениям. Только в мае 2022 года произошло не менее 10 землетрясений, самое сильное из которых имело магнитуду 6,3 по шкале Рихтера.