Что такое квантовая тарификация
Почему квантовый интернет строят в космосе, и кто уже реализует такие проекты
Есть мнение, что спутниковые квантовые сети — самый эффективный способ развертывания глобальных систем распределения криптографических ключей. Рассказываем, кто уже работает в этом направлении, и говорим о потенциальных проблемах такого подхода.
Что такое квантовые сети
Квантовая сеть — это система передачи данных, работа которой подчиняется законам квантовой механики. Обмен информацией происходит с помощью кубитов — поляризованных фотонов, транслируемых по каналу оптической связи. Технология является важным компонентом систем распределения криптографических ключей. В такой системе отправитель и получатель имеют открытый оптический канал связи и передают друг другу ключ для шифрования пакетов.
Безопасность подключения обеспечивают фундаментальные законы физики. Фотоны очень «хрупкие» и разрушаются при считывании. По этой причине квантовые сети практически невозможно «подслушать» — попытка MITM-атаки сразу очевидна принимающей стороне.
Причем здесь космос
Ряд инженеров убежден, что спутниковые квантовые сети — это самый удобный и экономически целесообразный способ построения глобальных систем распределения криптографических ключей. Но сперва поговорим о другом перспективной технологии — квантовых повторителях.
Фотоны поглощаются средой из-за помех, поэтому их сложно транслировать на большие расстояния (около 100 км). Задача квантовых повторителей — предотвратить потери при передаче частиц по оптоволокну. Сегодня такие системы разрабатывают нидерландские инженеры. Они строят тестовую 10-км сеть между Гаагой и городом Делфт. Также в этой сфере работают японские физики.
Но квантовые повторители обладают рядом недостатков. Они позволяют соединить лишь две точки, между которыми протянут оптоволоконный кабель. Передавая данные по цепочке, повторители их декодируют, а затем снова кодируют — такой подход может привести к утечкам в случае компрометации узла. Производство подобных устройств также требует дорогостоящих магнитов и редких минералов. При этом квантовые повторители находятся на самых ранних этапах разработки и об их практическом применении в широких масштабах речи пока не идет.
О чем еще мы пишем в блоге на Хабре
/ Unsplash / Shahadat Rahman
Поэтому некоторые инженеры работают над альтернативными подходами к построению квантовых сетей и систем распределения криптографических ключей на их основе. Группа физиков из университетов США, Японии и Китая посчитала, самым эффективным способом будет метод с разверткой группы спутников на орбите, передающих фотоны на землю посредством лазеров. В своей научной работе инженеры приводят расчеты и результаты симуляций, которые показали, что оптимальный вариант — развертывание 400 спутников на высоте в 3 тыс. километров (стр.10).
Такой подход позволит пересылать ключи на расстояние до 7,5 тыс. километров — например, от Лондона до Мумбаи. Для квантовых повторителей подобные показатели пока недоступны — их нужно устанавливать на расстоянии до 200 км друг от друга.
Кто уже реализует космические проекты
В 2016-м китайские инженеры запустили спутник квантовой связи. Спустя год им удалось передать кубит на расстояние свыше 1200 км. Аппарат висел на 500-км орбите и транслировал фотоны с помощью лазера на принимающую станцию в Тибете. В 2018 году технологию уже испытали на практике. Китайские ученые провели 75-минутную видеоконференцию с коллегами из Австрийской академии наук по защищенному каналу.
/ Unsplash / Kevin Quezada
Космическими квантовыми проектами занимаются и физики в Германии. Еще в 2017 году они установили, что для передачи и телепортации «запутанных» фотонов можно использовать обычные спутники связи. Примерно в то же время специалисты из Общества научных исследований имени Макса Планка инициировали разработку спутника, заточенного под квантовую криптографию. В планах — спроектировать особый бортовой компьютер для обработки сигналов.
Кто выступает против
Большое количество специализированных квантовых спутников может создать дополнительные неудобства. Есть мнение, что первые спутники Starlink, запущенные компанией SpaceX, уже мешают вести наблюдения с Земли. Также речь идет о потенциальном переизбытке мусора на околоземной орбите. В Федеральной торговой комиссии США (FTC) предложили разработать ряд документов, которые позволят урегулировать эту проблему, но, скорее всего, этот вопрос не решить лишь бумажными нормативами. Нужны новые системы для очистки орбиты и инструменты для отслеживания обломков и спутников в космосе.
Материалы о сетях и протоколах в блоге VAS Experts:
Квантовые сети: перспективы и сложности реализации
По оценкам немецких исследователей из Общества Макса Планка, глобальную квантовую сеть удастся реализовать уже в ближайшие несколько лет. Расскажем, какие здесь есть сложности.
Что такое квантовые сети
Квантовая сеть — это система передачи данных, работающая по законам квантовой механики. В таких сетях обмен данными осуществляется при помощи кубитов. Это поляризованные фотоны, транслируемые по каналу оптической связи. Для того чтобы развернуть глобальные квантовые сети, покрывающие всю планету, как интернет, разработчикам и исследователям предстоит решить ряд трудностей. Например, определённую сложность вызывает передача фотонов на большие расстояния из-за их «хрупкости». Подробнее об этой и других проблемах мы расскажем далее, но сперва поговорим о том, зачем вообще создавать квантовые сети.
Чем они могут быть полезны
Явление квантовой запутанности связывает квантовые частицы таким образом, что при измерении характеристик одной из них, мы автоматически узнаем характеристики второй. Причем связь эта сохраняется даже на больших расстояниях.
Если установить между двумя точками соединение, можно генерировать последовательности случайных чисел на двух его концах. В криптографии эта особенность используется для генерации ключей шифрования.
Еще одно достоинство квантовых сетей — невозможность прочитать транслируемые фотоны дважды. Законы квантовой механики запрещают «клонирование» состояния частиц света. При перехвате кубита, он меняет своё значение. Получается, что при попытке «подслушать» канал передачи данных, злоумышленники не смогут извлечь никакой ценной информации. На выходе они получают случайный набор цифр.
Таким образом, квантовые сети — это почти абсолютная криптографическая защита. Почти абсолютная, так как ученые из Швеции доказали, что «подслушать» такую сеть все же возможно. Для этого нужно сымитировать квантовый шифр. Детекторы фотонов игнорируют неполяризованные частицы света, называемые нулями. Если сымитировать эти нули в определенный момент времени и направить их на приемник, то он посчитает сигнал квантовым (хотя это не так).
Решить проблему можно, но придется менять принципы работы приемников. Один из вариантов — добавить индикатор мощности сигнала (так как при вмешательстве извне она будет изменяться). Но это приведет к увеличению стоимости развертки квантовых сетей.
Почему это сложно
«Хрупкость» кубитов, которая делает квантовую коммуникацию надежной, привносит и недостатки. Одиночные фотоны меняют свои состояния или просто поглощаются средой из-за помех. По этой причине бывает сложно передать квант по оптоволоконному кабелю на расстояние свыше 100 км.
/ Flickr / Alexandre Delbos / CC
Сейчас оптоволоконные квантовые сети строятся с использованием повторителей. Они декодируют информацию, кодируют её снова и передают другим узлам по цепочке. Однако таким образом посредники тоже узнают содержание сообщения, что может привести к утечке в случае компрометации одного из них. Здесь возникает проблема и со стоимостью — такие повторители используют дорогостоящие магниты и редкие минералы.
Важно учитывать и среду, в которой эти сети будут развертываться. Есть существенная разница между лабораторными и «боевыми» условиями. В городе на оптоволоконные кабели влияют перепады температур. Это может привести к сдвигам фаз фотона и вызывать ошибки при передаче данных.
Решить проблему с передачей на большие расстояния позволит квантовая телепортация. Исследователи могут по желанию вводить два кубита в состояние квантовой запутанности. Таким проектом занимается группа из Делфтского технического университета в Нидерландах. Исследователи строят десятикилометровую квантовую сеть между городом Делфт и Гаагой.
Такие технологии пока находятся на ранних этапах разработки. Дело в том, что поддерживать «связанность» продолжительное время затруднительно из-за разрушающего эффекта (называемого декогерентностью), которое оказывает на кванты внешняя среда. Удержать состояние квантовой запутанности удается на доли секунды.
Где можно будет использовать квантовые сети
Как мы уже говорили, квантовые сети обладают высокой стойкостью к прослушке. Поэтому они позволяют строить надежные системы распределения криптографических ключей. Такие технологии уже есть. Например, в начале года в Китае запустили систему распределения криптографических ключей, в которой данные передаются посредством спутников и лазерных лучей. Похожую систему предложили немецкие исследователи.
Также квантовые сети должны объединить в сети квантовые компьютеры. Ожидается, что кластеры квантовых машин ускорят проведение физических и химических симуляций, например, при разработке новых медицинских препаратов.
Есть юзкейсы и за пределами науки, например голосования. Такой проект был реализован в Швейцарии — несколько лет назад CERN помогли организовать квантовую сеть для проведения выборов. По словам экспертов из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, помимо надежности квантовые сети дают возможность реализовывать новые стратегические схемы голосования, недоступные сегодня. Например, люди получат возможность выбирать не одного кандидата, а сразу двух (второй вариант).
Развитием квантовых сетей занимаются многие институты и организации. Поэтому в последнее время появляется всё больше подобных проектов. Об иностранных и российских разработках в этой области, мы расскажем в наших следующих материалах на Хабре.
Квантовый Интернет: конкуренция за создание нерушимого онлайн-мира
Развитие сверхзащищенного квантового Интернета идет полным ходом. Он может коренным образом изменить роль информации в нашей жизни и создать всемирный квантовый суперкомпьютер.
Многие из наших сфер жизни идут онлайн. Банки, рабочая почта, социальные сети, анкеты знакомств, медицинские записи – все это жизненно важная и конфиденциальная информация. Так что тот факт, что в Интернете есть фатальная брешь в безопасности, совсем не радует.
Это способствует развитию нового, более безопасного Интернета с квантовой защитой. Эта система сможет сделать гораздо больше, чем просто защитить ваши данные. Она предоставит квантовые программы и может стать скелетом квантового компьютера невообразимой мощности по всему миру.
Развитие квантового Интернета – это огромная и многогранная инженерная задача, ее основы уже закладываются. Волоконно-оптические сети расширяются. Исследователи тайно болтают в локальных сетях. Планируется даже использовать небольшие спутники для квантовой связи на большие расстояния. Рано или поздно мы все сможем присоединиться к квантовой информационной супермагистрали.
Человеческая культура и промышленность издавна основывались на информации. Получение правильной информации, ее понимание и обмен дает нам силу и прибыль. Развитие Интернета утвердило роль информации, и мы только начинаем ощущать ее влияние.
В обычных компьютерах используются цифровые единицы – биты. Это объем информации, который поступает, например, в результате подбрасывания монеты, и обычно обозначается как 1 или 0. Все электронные письма, обновления статуса или фотографии на вашем телефоне состоят из битов.
Работа с кубитами
С точки зрения квантового мира такой метод очень ограничен, потому что здесь, как известно, частицы ведут себя очень странно. Атом, электрон или фотон могут находиться в состоянии, в котором его свойства не определены. Например, частицы могут иметь одновременно две энергии. Эти квантовые состояния чрезвычайно хрупкие, но, научившись ими манипулировать, частицы можно использовать для хранения единицы квантовой информации – кубита, который кодирует не только 0 либо 1, но и любую комбинацию 0 или 1.
Увеличивая нашу способность делать это, мы уже разработали впечатляющие технологии, такие как сверхчувствительные датчики силы тяжести и магнитного поля. Физики уже могут управлять десятками кубитов одновременно и разрабатывают прототипы квантовых компьютеров. По мере роста они обещают превзойти любые классические компьютеры, которые когда-либо могли быть созданы – по крайней мере, для определенных типов вычислений. Среди прочего, квантовые компьютеры должны уметь моделировать химические реакции, разрабатывать новые лекарства и современные материалы, а также решать запутанные инженерные и логистические проблемы. Их полный потенциал пока не известен.
Но мы знаем одно – с появлением этих невероятных машин нам понадобится квантовый Интернет, потому что именно квантовые компьютеры угрожают нашей безопасности. Большинство схем шифрования, обеспечивающих безопасность подключения к Интернету, основаны на математических задачах, которые было бы непрактично решить с помощью классических компьютеров, таких как факторизация больших простых чисел. Но достаточно большой квантовый компьютер, использующий алгоритм, разработанный в 1994 году математиком Массачусетского технологического института Питером Шором, справился бы с такой задачей. Это подорвет безопасность всего, что связано с подключением к Интернету, от электронной почты до электросетей.
Столь опасно мощную квантовую машину, вероятно, можно будет ожидать не раньше, чем через 10-20 лет, но актуальность проблемы от этого не меньше. Изменение системы шифрования занимает много времени, и данные, которые вы сейчас отправляете, могут быть перехвачены, сохранены и дешифрованы, когда появятся достаточно мощные квантовые компьютеры.
Сиддхарт Джоши и другие хотят отбивать кубиты кубитами. При использовании квантовых состояний отдельных частиц для связи отправленные сообщения не могут быть украдены, потому что сам мониторинг сигнала изменяет чувствительные состояния. Это не заменит Интернет, а лишь дополнит уровень квантовой связи в нем, позволяющий пользователям обмениваться секретными ключами шифрования. Интернет-трафик будет продолжать передаваться по кабелям, как сейчас, и эти ключи будут зашифрованы и декодированы.
Такое квантовое шифрование, называемое квантовым распределением ключей (QKD), было продемонстрировано несколько раз за последние несколько десятилетий. Первый QKD банковский перевод был сделан в 2004 году. Существует множество различных схем, но одна из самых безопасных основана на явлении квантового связывания. Первоначально двум кубитам дается общее квантовое состояние, которое при правильном измерении предсказуемо изменяет результат измерения пары частиц, где бы эти две частицы ни находились. Предположим, эти два кубита – фотоны. Одна из парных пар с оптическим кабелем может быть заменена на безопасный ключ.
Связи, в которых используется гораздо больше связанных кубитов, можно было бы использовать еще более впечатляюще, скажем, для отправки сообщений в чисто квантовой форме. В краткосрочной перспективе возможности квантовых вычислений, вероятно, будут скромными и будут находиться далеко от, скажем, университетов или исследовательских центров. Но квантовые коммуникационные соединения могут соединить их всех с квантовым суперкомпьютером. Кроме того, пользователи смогут запускать программы на квантовых компьютерах таким образом, чтобы гарантировать их безопасность и не позволить шпионить за владельцами компьютеров. Это называется слепыми квантовыми вычислениями, поэтому любой может использовать квантовые компьютеры, не опасаясь утечки конфиденциальных данных.
Шепот бриллиантов
Зерно приближающегося квантового Интернета было посеяно в лаборатории в Делфте, Нидерланды. Там три маленьких ромба шепчутся друг с другом, образуя миниатюрный, но полностью функциональный прототип сети взаимосвязанных связей. Есть дефект в решетке атомов углерода каждого алмаза, в котором расположен один атом азота. Оттуда пара электронов может испустить связанный с ними фотон. Кроме того, каждый алмаз содержит один кубит квантовой памяти, что позволяет выполнять базовую обработку квантовой информации.
В статье, опубликованной Рональдом Хэнсоном и его командой из исследовательского института QuTech в Делфте, продемонстрировали объединение трех алмазов в сеть и передачу квантовой информации между ними. В принципе, эта технология может быть расширена, а возможность подключения может быть распределена между любым количеством узлов.
Необязательно использовать бриллианты. Другие группы изучают другие способы создания и объединения кубитов. В Бристоле группа Джоши продемонстрировала способность распределять квантовые ключи среди восьми пользователей на расстоянии нескольких километров друг от друга, и все связанные фотоны были получены от одного и того же лазера. По словам Джоши, можно будет расширить зону покрытия в городе до нескольких сотен человек.
Пока что он продемонстрировал QKD и некоторые аналогичные протоколы, но уверяет, что с использованием более сложных модулей приема связанных фотонов сеть может поддерживать, среди прочего, слепые квантовые вычисления.
Есть ряд других, пока еще не развернутых квантовых сетей, таких как Токио (Япония), Калгари (Канада) и Лос-Аламос (Нью-Мексико). У них в основном всего два или три узла, и они ограничены QKD. Однако их радиус действия увеличивается, и некоторые из них достигают более 100 километров. Все мечтают расширить их и соединить миллионы пользователей по всему миру, предоставив сверхзащищенные пути шифрования в разные страны на всех континентах.
Чтобы расширить охват QKD, можно было бы полагаться на доверенные узлы, устройства, которые передают сообщение, сначала расшифровывая его и шифруя для пересылки в другой оптоволоконный сегмент. Китай уже построил впечатляющую сеть, магистраль протяженностью 2000 километров с 32 надежными узлами между Пекином и Шанхаем и сотнями соединений. Задача решена? Не совсем. Каждый узел представляет угрозу утечки сообщений. Более того, он не подходит для слепых квантовых вычислений, например, потому что исходная квантовая информация в каждом узле исчезает.
Устройство, называемое квантовым ретранслятором, необходимо для передачи квантовой информации повсюду. Представьте себе двух пользователей – Колю и Петю, которые хотят поговорить. Каждый из них создает пару связанных кубитов и отправляет одну из своих пар через квантовый повторитель посередине между ними. Повторитель одновременно выполняет определенные измерения состояний двух полученных кубитов, чтобы объединить их. Согласно правилам квантовой физики, он соединяет два кубита, оставленные Колей и Петей – процесс, называемый обменом связями. Выстраивая квантовые повторители, связанные кубиты могут быть намного дальше друг от друга.
О, если бы у нас был квантовые ретрансляторы. Он были в списке желаний ученых много лет, но оказалось очень сложно их создать. Но в Университете Стоуни-Брук в Нью-Йорке Иден Фигероа и его группа берутся за решение этой головоломки. Важным компонентом этого устройства является так называемая квантовая память ввода и вывода, которая может захватывать летающий кубит и удерживать его до тех пор, пока он не понадобится для одновременного измерения. Квантовая память Фигероа основана на облаке атомов, которые могут проделывать такой трюк с фотоном. Это устройство также должно регистрировать захват фотонов, не нарушая чувствительного квантового состояния частицы. В прошлом году Фигероа и его коллеги показали, что они могут сделать это, послав еще один фотон, который очень слабо взаимодействует с защищенным фотоном.
В 2017 году Micius зашифровал видеоконференцсвязь между Пекином и Веной, используя определенную версию QKD с высокой пропускной способностью, но сам спутник действует как надежный узел. Для некоторых пользователей это подойдет, например, правительствам или корпорациям, которые могут позволить себе использовать свои собственные спутники, но это не гарантирует безопасность для всех пользователей будущего широко подключенного квантового Интернета. Затем, в 2019 году, Micius использовался для создания связи между двумя наземными станциями в Китае, расположенными на расстоянии 1200 километров друг от друга, Nanshan и Delingha, путем перераспределения каждой пары связанных фотонов и отправки по одному на каждую станцию. Эта форма QKD чрезвычайно безопасна. Даже если спутник будет взломан, перехватить ключ не удастся.
Обратной стороной является то, что он работает медленно. Стороны могут использовать парную пару фотонов только тогда, когда они достигаются обоими фотонами, и при любой спутниковой связи большая часть света теряется, потому что фотоны не попадают в приемник или поглощаются атмосферой. Наземные станции Китая расположены высоко и используют в качестве приемников большие телескопы, а спутник генерирует около 6 миллионов пар связанных фотонов в секунду. Но даже в этом случае секретный ключ генерировался со скоростью лишь доли бит в секунду. Цзянь-Вэй Пан из Китайского университета науки и технологий Хэфэй, который работает с Micius, говорит, что теперь он работает над увеличением скорости с помощью некоторых улучшений, в том числе более ярких связанных источников света.
Квантовая сборка
Чтобы объединить все это оборудование в глобальную квантовую сеть, нам понадобится программное обеспечение, которое мы можем использовать в классическом Интернете. Теперь данные передаются по нескольким сетям на уровне программного обеспечения, поэтому обычному пользователю не нужно об этом беспокоиться. Стефани Венер из QuTech – одна из создательниц квантовой сети. И самое интересное – гаджеты. Мы до сих пор не знаем, что они смогут сделать. Новые виды игр? Новые формы общения?
Когда эти необычные технологии окружают мир, мы можем сначала даже не заметить. Их влияние должно быть в основном при отсутствии проблем: мы не потеряем свои банковские счета, выборы не будут взломаны, свет не погаснет. В конечном итоге будет более ощутимая польза, особенно для науки. Благодаря каналам квантовых данных телескопы могли бы обмениваться информацией без каких-либо задержек, а астрономы могли получить более четкое изображение Вселенной. Они могли более точно синхронизировать атомные часы и, таким образом, повысить чувствительность детекторов гравитационных волн. Не говоря уже о соединении квантовых компьютеров, увеличивая их мощность.
Возможно, эта новая форма Интернета сделает мир безопаснее, а может и более опасным.
Да, действительно, квантовый интернет может стать нашим ближайшим будущим, а в настоящее время мы наблюдаем всплеск развития IT-индустрии и дефицит специалистов. Если прямо сейчас вы решаете какую профессию освоить и выбираете подходящий курс, предлагаем ознакомиться со специальным предложением от OTUS. До конца месяца у нас действует скидка на все курсы.
В России появится первая сеть квантового интернета. Сначала опытный фрагмент свяжет несколько точек в Татарстане
Первая в России многоузловая квантовая сеть запущена в Татарстане. Проект реализован учеными Казанского квантового центра КНИТУ-КАИ и университета ИТМО на сети оператора связи ПАО «Таттелеком».
Поэтому ученые, разрабатывая квантовые сети, ставили перед собой задачу: разработать систему, с помощью которой можно достигнуть безопасности коммуникаций, не изобретая алгоритмов шифрования.
В основе квантового шифрования лежит физический принцип, согласно которому состояние фотона нельзя прочесть дважды, потому что после первого чтения состояние фотона изменится и повторная попытка даст уже другой результат. Информация, передаваемая в виде однофотонных лазерных импульсов по оптоволоконным каналам связи, защищена, таким образом, от прослушивания.
Директор Казанского квантового центра КНИТУ-КАИ Сергей Моисеев рассказал, что сейчас многоузловая сеть апробируется в Казани, а следующим шагом станет строительство сети по всей Республике Татарстан. По его словам, базовая технология, на которой строится сеть, изначально разработана в университете ИТМО, а сейчас на ее основе идет создание сетевых решений.
Руководитель группы квантовых коммуникаций РКЦ Юрий Курочкин рассказал, что главная проблема, которую решают квантовые сети, это исключение риска «подслушивания» ключа.
Ректор университета Иннополис Александр Тормасов считает, что анонсируемое открытие ученых решает технологические вопросы квантовых сетей, что позволяет начать работу с линиями длиннее одного узла.
В Китае до конца этого года планируется запустить квантовую сеть между Пекином и Шанхаем длиной порядка 2 тыс. км. А в США ведутся работы над квантовой сетью между Огайо и Вашингтоном протяженностью 650 км.
Сегодня? работа Интернета осуществляется благодаря связанным кремниевым чипам, но в будущем может появиться квантовая модель, которая будет строиться из алмазов, так называемый Квантовый интернет. 24 апреля в журнале “Nature” вышла статья о том, что ученые физики намереваются создать между алмазами квантовую запутанность. При этом, они располагались друг от друга на расстоянии 3 метра. Удалось зафиксировать, что обмен информацией на большие расстояния, при использовании данной технологии, может производиться в 10 тысяч раз быстрее, чем скорость света.
Основатель теории относительности, великий ученый Альберт Эйнштейн считал, что квантовая запутанность невозможна. Это явление природы является одним из самых странных и поэтому устройства, которые построены на такой технологии имеют большие перспективы. Квантовые запутанные фотоны, которые образуются в оптических кабелях, будут использоваться в технологии Интернета, чтобы сплести кубиты. Главной целью является создание соединений, которые имеют большую степень защищенности, а также в создании новых квантовых компьютеров.
Кубит является аналогом бита, однако они имеют возможность, находится в состоянии суперпозиции и одновременно отображать как «0», так и «1». Ученые утверждают, что связав кубиты можно производить расчеты намного быстрее. Компьютеры, реализованные по этой технологии, смогут осуществлять расчеты быстрее, чем составляет возраст нашей Вселенной, а это ни много ни мало 14 миллиардов лет.
Стоит отметить, что запутывание кубитов на расстоянии уже осуществляли в другой системе, как и делали это с ионами и атомами. И пусть алмазной системе еще долго до квантового запутывания, в любом случае именно этот способ стал ключевым в развитии квантовой сети. Над этим проектом работает группа ученых из Технологического университета Делфта расположенного в Нидерландах. Как отмечает Рональд Хэнсон глава проекта, подключить кубиты в алмазных чипах намного проще, чем добиться того же в какой-либо другой системе.
Над кубитами алмаза также работал физик Дэвид Авшалом из Чикагского Университета в Иллинойсе, однако в исследованиях он не принимал участия, но отметил, что демонстрация этого процесса была очень зрелищной и красивой.
Однако эффективность процесса находится на минимальном уровне. Это отметила профессор физик Монреальского Университета Макгилла Лилиан Чилдресс. Она также является соавтором последних исследований. Во время экспериментов квантованное запутывание может произойти только один раз из 10 миллионов случаев, это около 10 минут за цикл. Эти эксперименты стоят на первом ряду как и ловушки ионов и атомов.
Важная цель изучения данного метода заложена в возможности предоставить основу для квантового повторителя, устройство, которое позволит создать квантовые коммуникации на большое расстояние. Проблема в том, что запутанности, которые возникают благодаря фотонам, распадается через пару сотен километров. Это происходит в силу того, что оптоволоконный кабель, поглощая свет, разрушает запутанный сигнал. А если цепи запутывания будут образовываться в квантовом ретрансляторе, то это гарантированное связывание кубитов на тысячи километров.
Хэнсон отмечает, что хоть система, которая использует атомы и ионы продвинута в несколько раз, но алмаз с количеством запутанных кубитов 14 штук имеет большие преимущества если связывать удаленные процессоры в сети. Кубиты в алмазе можно поддерживать при комнатной температуре, так как благодаря углеродному материалу они не будут подвержены вибрациям и воздействию магнитных полей. При этом не возникает суперпозиции, а ионы должны находиться только в высоком вакууме.
Исследователями было выявлено, что кубиты в алмазах существуют десятки миллисекунд. Их можно передать к ядру атома азота или углерода, чтобы создать массив кубита «памяти». Именно в таком случае они существуют уже целые секунды, которые для вычислительных систем квантового порядка равны вечности. Плюс ко всему легче создать чип из твердого алмаза, нежели создавать многочисленное количество ловушек ионов.
Как отмечает физик из Оксфордского университета Джошуа Нанн, победителя в этой гонки нельзя назвать сию же минуту. Это долгий процесс развития и он находится только на начальном этапе. Поэтому ставить на то кто и как создаст первый квантовый процессор на сегодняшний день нереально и бессмысленно.
ИНФОРМАЦИОННАЯ И КВАНТОВАЯ ТЕЛЕПОРТАЦИЯ
Издание New Scientist называет квантовую телепортацию чудесным феноменом. Квантовое состояние одной частицы может передаваться другой частице, находящейся на расстоянии от первой. При этом данный эффект достигается без какого-либо физического перемещения.
КАК ТЕЛЕПОРТИРОВАЛАСЬ ИНФОРМАЦИЯ
КАК ТЕЛЕПОРТИРОВАЛАСЬ ИНФОРМАЦИЯВ Университете Калгари (Пункт B) было создано два фотона. Информация представляет собой квантовое состояние фотона. Один из фотонов был отправлен по оптико-волоконной линии длиной в 11,1 километра. Пунктом назначения стало строение вблизи мэрии Калгари (Пункт C).
По их словам, фотон двигался классическим способом. Другой фотон был оставлен в Пункте B.
Затем фотон был отправлен в мэрию из Манчестера (Пункт A). Квантовое состояние фотона из Пункта A было передано фотону, оставленному в Пункте B. Вот так работает квантовая телепортация.
Данное явление стало возможным благодаря эффекту спутанности. Это объясняет то, почему частицы могут быть связаны между собой невзирая на расстояние между ними.
В другом исследовании использовались иные технические настройки. Цян Чжан и Цзянь-Вэй Пан провели сеанс телепортации на расстояние в 30 километров с использованием оптико-волоконной сети в китайском городе Хэфэй.
КВАНТОВЫЙ ИНТЕРНЕТ
КВАНТОВЫЙ ИНТЕРНЕТДоктор Титтель заявил, что используемая в эксперименте конфигурация сможет стать точкой отсчёта. Её можно будет использовать при создании городских квантовых сетей. В теории в сети можно использовать ретранслятор, который позволит передавать информацию на значительно большие расстояния. Таким образом, появится квантовый интернет.
Квантовая криптография предложит пользователям намного более безопасную связь, чем мы имеем сегодня. Исследователь области квантовой информации Фредерик Гроссханс говорит, что эти исследования демонстрируют возможность создания городских квантовых сетей. Это может стать реалистичным предложением. Он добавил, что такое будущее выглядит весьма захватывающе.
Разработка полноценного квантового компьютера значительно изменит всю вычислительную технику и многие сферы нашей жизнедеятельности, включая экономику, медицину, производство и быт.
Мы уже рассмотрели и затронули в этом материале такое понятие как «квантовый интернет». Что же это такое, и какие преимущества он нам даст?
Если говорить простыми словами, квантовый интернет был бы тем средством связи, которое использует квантовые сигналы вместо радиоволн для отправки информации. Но давайте объясним это немного подробнее. Интернет, каким мы его знаем, использует радиочастоты и электрические сигналы для подключения различных компьютеров в глобальную сеть, в которой сигналы отправляются туда и обратно. В квантовом интернете сигналы будут передаваться через квантовую сеть, используя запутанные квантовые частицы.
Но что означает квантовый интернет для обычных пользователей Интернета? Если говорить про типичный интернет-серфинг, то, возможно, квантовый интернет дает не так уж и много. Очень маловероятно, что вы будете использовать квантовый интернет для чтения постов в социальных сетях. «Во многих случаях использование квантовой механики не имеет большого смысла для этих целей» – сказал физик Кай-Мэй Фу из Университета Вашингтона. Для таких вещей достаточно возможностей обычного интернета.
Тем не менее, квантовый интернет лучше всего будет безопасно отправлять информацию. Благодаря тому, что известно как квантовое шифрование или квантовая криптография, люди смогут отправлять «невзламываемые» данные по квантовой сети. Это связано с тем, что квантовая криптография использует механизм, называемый квантовым распределением ключей (QKD), благодаря чему создается зашифрованное сообщение, а его ключи отправляются отдельно. Попытка несанкционированного просмотра такого сообщения приводит к его автоматическому уничтожению, при этом отправитель и получатель становятся уведомлены о ситуации.
Квантовый интернет также может ускорить доступ к работающему квантовому компьютеру, организовав квантовые вычисления в облаке. Вместо того, чтобы пытаться завладеть физическим квантовым компьютером, который еще не удалось сделать общедоступным, вы можете получить доступ к нему через облако. Обычный персональный компьютер мог бы передавать информацию или получать доступ к квантово-зашифрованной информации через этот облачный квантовый компьютер. По крайней мере, вы могли бы отправить «невзламываемые» электронные письма.
По сути, квантовый интернет, скорее всего, станет специализированной отраслью обычного интернета, к которой мы будем обращаться только для решения конкретных задач. Тем не менее, даже если квантовый интернет не будет работать так же, как современный интернет, одно можно сказать наверняка: передовая технология может принести пользу всем, от физиков до обычных пользователей, передающих свои сокровенные письма.
Запущенный в прошлом году китайский спутник Micius успешно завершил орбитальные испытания и установил новый рекорд квантовой связи. Он сгенерировал пару запутанных фотонов, разделил их и передал одновременно двум наземным станциям, удаленным друг от друга на 1203 км. Затем наземные станции использовали эффект квантовой телепортации для обмена зашифрованными сообщениями. Потенциально запуск таких спутников открывает возможность создания глобальных систем связи, защищенных от перехвата на уровне физических принципов. Эксперимент уже окрестили «началом квантового интернета».
Телепортация квантовая и фантастическая
Термин «телепортация» может ввести в заблуждение. В квантовых системах он означает передачу информации между заранее сгенерированными парами сцепленных частиц, то есть характеризующихся общей волновой функцией. Передачи материи или энергии при этом не происходит, и ОТО не нарушается. Суть квантовой телепортации состоит в использовании взаимосвязанных квантовых состояний запутанных частиц для кодирования и мгновенной передачи информации. Измерение (то есть изменение) свойств одной частицы мгновенно изменит ее у второй, на каком бы расстоянии они ни находились.
Спутник массой более 600 кг был выведен на солнечно-синхронную орбиту высотой 494,8–511,1 км при помощи ракеты-носителя «Чанчжэн-2D» (также известной как Long March, или «Великий поход»), стартовавшей с космодрома Цзюцюань 16 августа 2016 года. После долгих месяцев тестирования он был передан Китайской академии наук.
Параметры орбиты были выбраны так, чтобы спутник появлялся в одном и том же месте каждую ночь. Наземные станции отслеживали спутник и устанавливали с ним оптические линии связи для приема одиночных запутанных фотонов. Вели спутник три оптических телескопа в Делинге, Лицзяне и Наньшане. Спутнику удалось установить связь со всеми тремя наземными станциями.
Китайско-австрийское соглашение
Австрия стала участником проекта неслучайно: именно группе физиков из австрийского Инсбрукского университета в 1997 году впервые удалось продемонстрировать квантовую телепортацию состояний у пары запутанных фотонов.
У современного Китая тоже интересная история освоения квантовой связи. В 2005 году ученые из Китайского университета науки и технологий смогли передать квантовое состояние запутанных частиц на 7 км по открытому воздуху. Позже при помощи изготовленного на заказ оптоволокна это расстояние увеличили до 400 км. Впервые передачу запутанных фотонов через атмосферу и на значительное расстояние также удалось выполнить физикам Научно-технического университета Китая и Пекинского университета Цинхуа. В мае 2010 года они успешно передали пару запутанных фотонов более чем на 16 км (см. в журнале Nature Photonics).
Оптоволоконная линия или связь «через воздух» в зоне прямой видимости нужна только для первоначального разделения запутанных фотонов. В дальнейшем информация об изменении их квантового состояния передается мгновенно и независимо от расстояния. Поэтому, кроме традиционно перечисляемых преимуществ квантовой передачи данных (высокая плотность кодирования, скорость и защищенность от перехвата), Цайлингер отмечает еще одно важное свойство: квантовая телепортация возможна и в том случае, когда точное взаимное расположение приемника и передатчика неизвестно. Это особенно важно для спутниковых систем связи, поскольку в них взаимное расположение узлов сети постоянно меняется.
В новом эксперименте с использованием Micius лаборатории, находящиеся в столицах Китая и Австрии, передавали друг другу сообщение, зашифрованное шифром Вернама, по наземным открытым каналам. В качестве криптографического ключа использовались результаты измерения квантовых свойств у принимаемых со спутника пар запутанных фотонов.
Это считается прорывом сразу по нескольким причинам. Во-первых, Micius стал первым удачным экспериментом в области спутниковой квантовой связи. До сих пор все подобные опыты проводились в наземных лабораториях, где приемник и передатчик были удалены друг от друга на куда меньшие расстояния. Во-вторых, в других экспериментах для передачи запутанных фотонов требовалось использование какой-то изолированной среды. Например, оптоволоконных линий связи. В-третьих, при квантовой связи по оптоволокну передаются и регистрируются одиночные фотоны, а спутник повышает эффективную скорость обмена.
Квантовая связь в России
Парадокс данного достижения состоит в том, что даже авторы проекта не знают всех деталей о работе квантовой системы связи. Есть только рабочие гипотезы, их экспериментальная проверка и долгие дебаты о правильности трактовки полученных результатов. Так часто бывает: сначала открывают какое-то явление, потом его начинают активно использовать, и только спустя долгое время находится кто-то, способный понять его суть. Первобытные люди умели добывать огонь, но никто из них не понимал физико-химические процессы горения. Разобраться в них пришлось для того, чтобы сделать качественный переход от костра до двигателя внутреннего сгорания и ракетного двигателя.
Как Алиса и Боб обвели Мэлори
В обычной системе связи Мэлори отводится роль «человека посередине». Он незаметно вклинивается в линию передачи, перехватывает сообщение от Алисы, читает его, при желании также изменяет и передает дальше Бобу. Наивный Боб ни о чем не подозревает. Поэтому Мэлори получает его ответ, проделывает с ним что угодно и отправляет Алисе. Так происходит компрометация всей переписки, телефонных переговоров и любого другого классического вида связи. С квантовой связью это невозможно в принципе. Почему?
Чтобы создать в ней криптографический ключ, Алиса и Боб сначала используют серию измерений на парах запутанных фотонов. Затем результаты этих измерений становятся ключом для шифрования и расшифровки сообщений, отправляемых по любому открытому каналу. Если Мэлори перехватит запутанные фотоны, он разрушит квантовую систему и оба собеседника немедленно узнают об этом. Мэлори физически не сможет повторно передать такие же фотоны, потому что это противоречит принципу квантовой механики, известному как «запрет на клонирование».
Так происходит потому, что свойства макро- и микромира кардинально отличаются. Любой макрообъект всегда существует во вполне определенном состоянии. Вот лист бумаги, он лежит. Вот его поместили в конверт и отправили авиапочтой. Мы можем измерить любой параметр бумажного сообщения в любой момент времени, и это никак не повлияет на его суть. Оно не изменит содержание от взвешивания, просвечивания рентгеном и не станет лететь быстрее в луче радара, которым мы измеряем скорость самолета.
Для элементарных частиц все не так. Они описываются как вероятностные состояния квантовой системы, а любое измерение переводит ее в строго определенное состояние, то есть изменяет. Само влияние измерения на результат плохо укладывается в привычное мировоззрение. Однако с практической точки зрения оно интересно тем, что состояние передаваемой квантовой системы нельзя узнать скрытно. Попытка перехватить и прочесть такое сообщение попросту разрушит его. Поэтому считается, что квантовая связь полностью исключает возможность MitM-атаки.
Для квантовой передачи данных теоретически подходят любые элементарные частицы. Раньше эксперименты проводились с электронами, протонами и даже ионами разных металлов. На практике же пока удобнее всего использовать фотоны. Их легко излучать и регистрировать. Уже есть готовые приборы, протоколы и целые оптоволоконные сети для традиционной передачи данных. Отличие квантовых систем связи состоит в том, что передавать в них надо пары предварительно запутанных фотонов.
Как не запутаться в двух фотонах
Эйнштейн осторожно предположил, что вероятностный характер предсказаний квантовой механики объясняется наличием каких-то скрытых параметров, то есть банальной неполнотой описания. Спустя тридцать лет Белл ответил созданием серии неравенств, теоретически способных подтвердить наличие скрытых параметров в экспериментах с квантовыми частицами путем анализа распределения вероятностей в серии опытов. Ален Аспе, а затем и другие экспериментаторы продемонстрировали нарушение неравенств Белла.
В 2003 году физик-теоретик из Иллинойского университета Тони Леггет обобщил накопленные данные и предложил вовсе отказаться от принципа локальности в любых рассуждениях о квантовых системах. Позже группа ученых из Цюрихского института теоретической физики и Института прикладной физики технического университета Дармштадта под руководством Роджера Кольбека пришла к выводу о том, что принцип Гейзенберга также некорректен для запутанных элементарных частиц.
Наверняка ты помнишь про двуличность фотона: он взаимодействует как частица, а распространяется как волна. Для создания пары запутанных фотонов есть разные методики, одна из которых базируется на волновых свойствах. В ней генерируется один фотон с меньшей длиной волны (например, 512 нм), а затем он разделяется на два фотона с большей длиной волны (1024 нм). Длина волны (частота) таких фотонов одинакова, а все квантовые свойства пары описываются вероятностной моделью. «Изменить» же в микромире означает «измерить», и наоборот.
Какими эти свойства будут у каждого фотона из пары, заранее неизвестно (см. вероятностные принципы квантовой механики). Зато в случае запутанных фотонов мы можем утверждать, что они будут противоположными. Поэтому если изменить (измерить) характеристики одного фотона из пары, то они мгновенно станут определены у второго, даже если он находится за 100500 парсек. Важно понимать, что это не просто устранение неизвестности. Это именно изменение квантовых свойств частиц в результате перехода от вероятностного состояния к детерминированному.
Основная техническая трудность заключается не в том, чтобы создать запутанные пары фотонов. Практически любой источник света рождает их постоянно. Даже лампочка у тебя в комнате излучает запутанные фотоны миллионами. Однако ее трудно назвать квантовым прибором, поскольку в таком хаосе квантовая запутанность рожденных пар быстро исчезает, а бесчисленные взаимодействия мешают эффективно передавать информацию.