Как разъясняют ученые, назначение схемы QKD заключается в распределении секретного квантового ключа между двумя отдаленными пунктами с безопасностью, основанной на законах квантовой физики. Идея QKD была впервые предложена в 1984 году, а в 1992 году ученые смогли передать квантовый ключ на 32 см. Несмотря на заметный прогресс, ученые говорят, что главная проблема заключается в достижении более высокой скорости передачи на больших расстояниях.

Для того чтобы поставить новый рекорд в 250 км, ученые выполнили три важных усовершенствования в методике QKD. Первое, они разработали когерентный односторонний (coherent one way, COW) протокол, приспособленный специально для квантовой связи через оптоволоконные сети. Кроме того, они использовали улучшенный полупроводниковый однофотонный детектор для снижения шума, а также световод со сверхнизкими потерями, изготовленный компанией Corning, для минимизации потерь в канале и повышения коэффициента распределения.

Осуществив эти мероприятия, физики получили возможность передавать квантовые ключи в лаборатории со скоростью 15 бит/с на 250 км по оптоволокну или со скоростью 6 кбит/с на 100 км с меньшей частотой появления ошибок. При этом система полностью автоматизирована и может функционировать часами без вмешательства человека. По протоколу COW передатчик посылает парные импульсы, один из которых пустой, а второй — содержит данные. Биты кодируются в парные импульсы с битовым значением в зависимости от положения непустого импульса, если он находится на первом месте — ноль, на втором — единица. А ресивер использует детектор, чтобы различать импульсы.

Для верной квантовой коммуникации передатчик и ресивер также контролируют когерентность импульсов. Ресивер произвольно выделяет небольшие фракции импульсов, не используемые в качестве данных, для передачи интерферометру, который измеряет когерентность смежных кубитов. В связи с этими мерами безопасности, перехватчик сигнала не сможет осуществить удаление или блокирование фотонов, не побеспокоив при этом систему безопасности.

"Эти повышенные средства безопасности распределения квантовых ключей могут получить распространение в квантовой криптографии", — объясняет Хьюго Жбинден (Hugo Zbinden) из Университета Женевы. QKD позволяет передавать секретный ключ, который может использоваться для шифрования и дешифрования секретных сообщений. Обеспечивая удобный и безопасный обмен ключами, QKD позволяет менять часто используемые ключи и соответственно повышать безопасность системы.

Для того чтобы выпустить на рынок QKD, необходимы подходящие, быстрые и "малошумящие", детекторы фотонов. Причем, по мнению ученых, сверхпроводящие детекторы не будут лучшим выбором. Также следует переходить на более высокие частоты повторения, поскольку использование высокоскоростной электроники и логики становится обязательным, следовательно необходимо создавать быстрые алгоритмы распределения ключей. Другой выход — объединение QKD с классическим видами связи на том же оптоволокне с использованием спектрального уплотнения (wavelength division multiplexing, WDM).

Как заявляют исследователи, высокие характеристики QKD-прототипа стали плодом сотрудничества целой группы экспертов, в которую входили теоретические и практические физики, инженеры связи и специалисты по электронике и программному обеспечению. Они надеются, что такое объединение знаний и навыков позволит и в дальнейшем развивать характеристики передачи квантовых ключей для многих полезных приложений.