Частицы света, служащие “квантовыми ключами”, - последнее достижение в технологии шифрования передаваемой информации - были переданы по волоконно-оптической линии протяжённостью 200 км группой учёных из Национального института стандартов и технологии (National Institute of Standards and Technology - NIST), штат Мэриленд, японской корпорации NTT Corp. и Стэнфордского университета (Stanford University), штат Калифорния. Эксперимент с применением, в основном, стандартных компонентов и диапазона частот, характерного для дистанционной передачи данных, предлагает реальный подход к созданию практических междугородних наземных квантовых сетей связи, а также беспроводных систем большой дальности с использованием спутников связи. Демонстрация эксперимента с намотанным на катушку оптическим волокном, описанная в июньском номере журнала Nature Photonics, была проведена в лаборатории Стэнфордского университета. Кроме рекорда дальности для распространения квантовых ключей (quantum key distribution - QKD), этот эксперимент был также первым по гигабитной скорости передачи - передача осуществлялась при скорости 10 миллиардов световых импульсов в секунду - для обеспечения надёжности ключей. Скорость производства обработанных ключей - корректировка ключей производилась во избежание ошибок и обеспечения конфиденциальности передаваемой информации - была значительно ниже из-за большой дальности, и ключ не использовался для шифровки цифрового сообщения, как это будет в полной системе QKD. Системы QKD передают поток отдельных фотонов с их электрическими полями в различных ориентациях, 1 и 0, которые используются для создания квантовых ключей, предназначенных для шифровки и дешифровки сообщений. Выполненная соответствующим образом квантовая шифровка не поддается “взлому”, поскольку подслушивание изменяет состояние фотонов. Ключевым аспектом эксперимента является применение ультрабыстрых сверхпроводящих детекторов отдельных фотонов, разработанных в России, а также технологии пакетирования и охлаждения, специально разработанной в лабораториях института NIST в г. Боулдер (Boulder), Колорадо. Быстрое и надёжное считывание единичных фотонов (самых малых частиц света) всегда представляло собой проблему, ограничивающую разработку практических систем QKD. Детекторы российского производства имеют очень низкий уровень ложного считывания благодаря малошумной работе криогенной установки, а также превосходному разрешению по времени, обусловленному физикой сверхпроводников (электроны могут переходить от возбуждённого состояния к спокойному и обратно за одну триллионную секунды). Каждый детектор состоит из сверхпроводящего нанопроводника из нитрида ниобия, работающего на токе, ниже “критического”, при котором он проводит электричество без сопротивления. Когда единичный фотон попадает на проводник, образуется горячая точка, и плотность тока увеличивается до тех пор, пока она не превысит критический ток. В этот момент образуется не сверхпроводящий барьер через проводник, и создаётся импульс напряжения. Начальная граница импульса напряжения засекает время поступления фотона. Г-н Сае Ву Нам (Sae Woo Nam), физик из института NIST, который монтировал детекторы, сказал, что NIST предлагает уникальный опыт соединения микросхем детекторов единичных фотонов с оптическими волокнами, а также разработки рефрижераторных систем для работы при минус 270 градусах Цельсия без применения жидких криогенных веществ. Он отметил, что необходимо знать, как эффективно направить свет в детектор и как усилить сигналы. Детекторы были сконструированы и изготовлены в Московском Государственном педагогическом университете. В проекте участвовали японский Комитет науки и техники, Национальный институт технологии информации и связи Японии, Центр световых квантовых информационных систем MURI, Агентство по применению разрушающих технологий, Управление перспективного планирования оборонных научно-исследовательских работ и Национальный институт стандартов и технологии.