Квантовый свет и теория относительности проверяют положение устройства

Две станции, разделённые примерно 2 километрами, отправляют сигналы устройству между ними. Оно должно измерить поступивший свет и быстро ответить. С помощью такой установки исследователи в Китае проверили положение устройства в пределах области размером 74,3 метра. Испытание объединяет квантовую физику, которая ограничивает копирование информации, и теорию относительности, согласно которой ни один сигнал не может превысить скорость света в вакууме.

Работа Guan-Jie Fan-Yuan, Yang-Guang Shan, Cong Zhang и их коллег опубликована 3 сентября 2026 года в научном журнале Nature Physics. В команду входят исследователи из Китайского университета науки и технологий и Гуандунского технологического университета. Вопрос вполне конкретен: как подтвердить, что устройство находится там, где утверждает, даже если кто-то пытается отвечать за него из другого места?

В эксперименте устройство расположено примерно в 980 метрах от каждой станции. В каждом раунде каждая из них отправляет 20 битов — единиц информации, принимающих значения ноль или один. Одна станция также передаёт очень слабый лазерный импульс. Квантовая информация записана в его поляризации, то есть ориентации колебаний света.

Устройство объединяет два обычных сообщения в 40-битный набор входных данных. Заранее согласованное правило определяет по этому набору, как измерять поляризацию. Этот выбор называется базисом измерения: настройкой анализатора, позволяющей правильно прочитать световой сигнал. После измерения результат немедленно возвращается обеим станциям.

Станции проверяют и ответ, и время его прибытия. Ответ показывает, был ли свет измерен ожидаемым способом; время ограничивает места, откуда он мог прийти. Чем больше задержка, тем шире область возможных положений, поскольку у сигналов остаётся больше времени на распространение.

Обычные сообщения сообщники могут копировать и пересылать. Поэтому проверки, основанные только на такой информации, без дополнительных гарантий допускают обман. Квантовая информация меняет задачу: не существует операции, способной безупречно копировать любое неизвестное квантовое состояние. Измерение света без знания правильного базиса также может привести к неверному ответу. Самозванцу необходимо выдавать приемлемые ответы, не выходя за установленный срок.

Практическим достижением стало использование ослабленного лазерного света, то есть света с сильно сниженной интенсивностью, вместо идеального источника, всегда испускающего ровно один фотон — единицу световой энергии. В таких импульсах фотонов может не быть вовсе, может быть один или несколько. Исследователи включили это распределение в анализ безопасности и приняли наихудший сценарий для импульсов с несколькими фотонами, способных облегчить перехват.

Проверка также учитывает неверные ответы и раунды без ответа, возникающие, например, из-за потерь света. Каждому типу события присваивается вес при расчёте итоговой оценки. Устройство принимается только тогда, когда его оценка превышает верхнюю границу, рассчитанную для противника в условиях модели. Таким образом, требуется целая совокупность результатов, соответствующая ожидаемой работе, а не один правильный ответ.

Чтобы уменьшить задержки, команда передавала биты одновременно на разных длинах волн, используя их как отдельные каналы. Длина волны — это расстояние, на котором повторяется колебание световой волны. Кроме того, использовались полые оптические волокна: структуры, направляющие свет преимущественно через воздух и тем самым приближающие скорость его распространения к скорости в вакууме. В центральном устройстве схема выбирает измерение по заранее загруженной в память таблице, чтобы не вычислять всё правило во время ответа.

Исследователи провели пять испытаний по 10 миллионов раундов каждое. Во всех пяти устройство действовало по предусмотренной процедуре, а итоговая оценка превышала требуемый порог. Система работала со скоростью 2 миллиона раундов в секунду, поэтому данные каждого испытания собирались за несколько секунд. Повторение даёт статистические свидетельства работоспособности установки, но не означает, что результат воспроизвели пять независимых команд.

Максимальная дополнительная задержка составила 247,8 наносекунды; наносекунда — одна миллиардная доля секунды. Это превышение времени идеального пути сигналов со скоростью света, а не полное время их движения туда и обратно. Ему соответствует область проверки размером 74,3 метра: диапазон положений, ещё совместимых с измеренным временем, а не точная координата внутри этой области.

Результат показывает, что присутствие устройства можно подвергнуть физической проверке, совместив квантовое измерение и время распространения сигналов. Это открывает возможность для систем, разрешающих операцию только тогда, когда устройство находится в допустимой зоне. Эксперимент устанавливает осуществимость такой проверки в изученных условиях; её характеристики и безопасность за пределами этой установки ещё предстоит продемонстрировать.