Исследователи показали способ проверить, действительно ли удалённое устройство находится там, где утверждает, не доверяя координатам, которые устройство сообщает само. В эксперименте две проверяющие станции, разнесённые на 2 км, подтвердили положение устройства с точностью 74,3 м, совместив квантовую оптику с физическим ограничением скорости распространения информации.
Новая схема решает другую задачу, нежели GPS. Спутниковая навигация вычисляет координаты, но при подмене GPS приёмник может принять ложный радиосигнал за настоящий и показать неверное местоположение. Квантовый протокол не определяет координаты вместо GPS, а проверяет, мог ли ответ действительно прийти из заявленной точки.
В опубликованном исследовании используются две станции по разные стороны от проверяемого устройства. Одна отправляет слабый квантовый световой импульс, а обе одновременно передают обычную цифровую информацию. Получив сообщения, устройство должно выбрать правильный способ измерения квантового состояния и немедленно вернуть результат.
Станции проверяют сразу две вещи: правильность ответа и время, за которое он вернулся. Квантовая физика ограничивает возможности злоумышленника незаметно перехватить и воспроизвести переданное состояние, а теория относительности не позволяет сообщникам обмениваться информацией быстрее света. Поэтому устройство, которое находится в другом месте, должно либо ошибиться при измерении, либо опоздать с ответом.
Временная задержка здесь напрямую превращается в погрешность координат. Каждая дополнительная наносекунда увеличивает неопределённость примерно на 30 см. В экспериментальной установке максимальная задержка ответа достигала 247,8 нс, что дало пространственную точность 74,3 м. Квантово-оптическая часть системы при этом работала с ошибкой 0,27%.
Для эксперимента исследователи отказались от сложных источников одиночных фотонов и использовали слабые когерентные световые импульсы, которые можно получать обычными лазерами. Интенсивность таких импульсов можно регулировать, компенсируя часть потерь в оптическом тракте. Классические данные передавались параллельно на нескольких длинах волн, а вычисления выполняло специализированное оборудование с задержкой менее 118 нс.
Классические схемы проверки местоположения без дополнительного доверенного секрета уязвимы для ретрансляции: два сообщника могут перехватывать запросы с разных сторон и пересылать их дальше, создавая впечатление, что устройство находится между проверяющими станциями. В квантовом варианте такой обмен становится значительно сложнее, поскольку атакующему одновременно приходится работать с квантовым состоянием и укладываться в жёсткий предел времени.
При этом авторы не утверждают, что протокол уже защищён от любого возможного квантового противника. Для использованной конфигурации расчёты показывают, что атакующему пришлось бы непрерывно поддерживать вспомогательные квантовые ресурсы примерно на частоте 10 МГц. Если считать таким ресурсом квантовую запутанность, требуемый уровень более чем на два порядка превосходит возможности современных систем, однако исследователи отдельно отмечают, что подобное предположение ещё требует более строгого анализа безопасности.
Практическое применение пока ограничивают расстояние, потери света и задержки оборудования. Нынешние 74,3 м позволяют подтвердить нахождение объекта примерно в пределах здания или охраняемой зоны, но не определить его положение с точностью смартфонной навигации. Исследователи планируют увеличить дистанцию и уменьшить задержки, чтобы сузить область, в которой может находиться проверяемое устройство.
В перспективе квантовую проверку местоположения предлагают использовать как дополнительный фактор безопасности. Например, сервер сможет разрешать доступ к чувствительной базе только устройству внутри определённого помещения, платёжная система сможет проверить физическое присутствие клиента в нужной точке, а логистическая система подтвердит прибытие ценного груза в заданное место. Такой подход не заменяет GPS, а добавляет к координатам отдельный ответ на более сложный вопрос: можно ли этим координатам доверять.