Последние исследования, реализованные европейскими и российскими учёными, показали, что перемещение квантовой и классической информации может удачно сосуществовать в границах одних и тех же оптоволоконных линий трансляции данных. Это даёт возможность в будущем для постепенного перехода от привычного интернета, к сети на основе парадоксов элементарных частиц, сети квантового интернета.
Ускоряемся в исследованиях
В компьютерной индустрии назревает переворот. Физики из Пенсильванского университета заявили, что через четыре года обычные кремниевые микросхемы достигнут своего предела. Уменьшать их дальше будет не возможно, поэтому обычным компьютерам осталось жить не долго.
На их смену придут принципиально новые технологии, квантовые компьютеры. Вместо микросхем будут находиться элементарные частицы. Благодаря этому возможно резко уменьшить размеры и повысить производительность. Пока работают не быстрее слабого компьютера, но это всего лишь вопрос времени. В свою очередь, используя мощнейший потенциал, удастся более быстро решить проблемы и сложности при внедрении принципиально нового, квантового интернета.
Загадки квантового интернета
Как работает квантовый интернет? Что это такое и в чем его суть? Отличие в том, что он базируется на законах квантовой механики. Она была воспринята учёными как горячая, резкая область, которая может быть применена для описания явлений, до конца не понятых. Одним из них считается фотоэлектрический эффект.
Парадоксы квантовой физики на службе у человечества
На сегодня понятно: в наше ближайшее будущее войдёт такое явление, как квантовый интернет. Что это может нам принести или как это будет? Возможно, это будет очередной скачек, подобный внедрению полупроводниковых транзисторов в прошлом.
Принцип его основан на свойстве суперпозиции и Он не имеет определённого спина и при измерении одной, вторая показывает противоположный. Для более полного понимания это означает, что каждая элементарная частица, несущая информацию, невидимо связана с её «запутанной» парой. Причём расстояние между ними не играет ни какой роли, информация передаётся мгновенно.
Используя эти аномальные законы, открываются огромные возможности в скорости и конфиденциальности передачи данных. Перехватить информацию, отправленную таким путём, оставшись незамеченным, невозможно: любое чтение оставляет следы, либо уничтожает исходную информацию.
Скорость быстрее мысли
Что касается последних данных по измерению скорости передачи данных, то они поражают наше воображение. Она превышает в десять тысяч раз. Но, скорее всего, учёные в будущем обнаружат, что скорость передачи сигнала намного выше определённой ранее, таков квантовый интернет. Что это значит? Что нам может это дать? Возможно, передачу сигналов на ранее немыслимые расстояния в космосе и новые открытия.
Новые технологии в фотонах
В технологии превращения фотонов в носитель информации российские учёные нашли применение искусственно выращенных кристаллов, а именно алмазов.
Оказывается, когда свет проходит через кристаллы, он приобретает свойство жидкости и начинает формировать капли, вихри, волны. Его можно направлять по каким-либо каналам. В общем, ведёт себя, как жидкость. В том числе он может распространяться с очень медленной скоростью или даже остановиться.
Это очень интересно с одной стороны и очень важно, поскольку это позволяет манипулировать со светом и делать, что угодно, в том числе, получить такое явление, как квантовая сеть интернет. Это позволяет его использовать в качестве агента передачи информации. Сейчас главным ее носителем является электрический заряд. Но это несовершенный объект. Поэтому любое движение или ускорение электрического заряда приводит к потерям энергии, которая уходит в окружающую среду и нагревает процессор и элементы микросхем.
Интернет сам по себе стоит уже человечеству более 5% производимой им энергии. Поэтому замена электрона фотонами в идеальном варианте приведёт к сокращению потерь колоссального количества энергии. Соответственно, себестоимость самого интернета упадет.
Квантовый интернет в России
Работы в России по квантовому интернету уникальны. Не смотря на малое финансирование и всяческие препоны, учёные провели достаточно экспериментов и добились в этой области фактически лидирующего положения.
В результате удалось создать уникальный, высокого уровня институт. Он сочетает в себе экспериментальные и теоретические группы, а также прикладные исследования. Этот институт финансируется частично «Газпромбанком», частично государством в разных формах. В любом случае, это тот пример, которому должна следовать российская наука, не останавливаясь ни перед чем.
Покоряем новые территории
На нынешнем этапе развития квантового интернета можно назвать только технологии защиты данных с помощью квантовой криптографии. Подобные сети на сегодня представляют собой достаточно простые соединения точка—точка. Учёные стремятся создавать совместные решения, на основании которых объединяются различные каналы и способы шифрования.
Если проследить за реализацией идеи, то результаты российских исследователей окажутся более существенными. Один из примеров - это детектор однофотонного излучателя, разрабатываемого в
Для существования такого открытия, как квантовая сеть интернет, учёным необходимо решить сложности совмещения особого оснащения для квантовой передачи данных и существующих на сегодня телекоммуникационных сетей.
Основные вопросы лежат в решении коммутации и усилении сигнала. Если отправить информацию на основе кванта, по стандартному оптоволокну, то он не пройдёт через регенератор. Поэтому один из вариантов решения это превращение сигнала в электрический и затем возврат в исходное положение.
На сегодня предел равен трёмстам километрам. Это дистанция, на которой необходимо производить регенерацию оптического сигнала. Также нужен прототип квантового коммутатора. Общий объем наличия проблемных задач может быть решён только в пределах десяти лет. Тем не менее, в учёных кругах утверждают о возможности «оседлать» квантовый интернет. Что это может принести и чем помочь? На сегодня нет однозначного ответа, но решение вопроса о внедрении и доведении подобных технологий к рядовому жителю, однозначно повысит его качество жизни и безопасность.
Новая эпоха наступает
Китай на сегодня поставил амбициозный проект, сделать передачу по квантовой сети на 1200 километров, используя спутник.
На данный момент достигнута дистанция максимум сто километров. Учёные разработали, как уберечь сигнал от воздействия метеорологических условий. Впрочем, эта сенсация скорее связана не с телепортацией, которая увеличивается с каждым годом, а с квантовой криптографией, другими словами, новой системой шифрования данных.
Квантовый код нет возможности взломать, точнее при его взломе информация пропадает. В эпоху кибервойн это означает неуязвимость. Квантовой криптографией давно пользуются те, кто ищет гарантии безопасности. Как, например, несколько лет тому назад швейцарские банки начали обмениваться данными о своих клиентах через квантовую сеть. На сегодня они ограничены расстоянием несколько десятков километров. Такую же систему готовится внедрять Российский квантовый центр, а также освоить передачу квантового сигнала через космический спутник.
Внедрение и реализация
А в это время в Петербурге между двумя зданиями университета в России запустили первую квантовую интернет сеть.
Информация передаётся, используя законы квантовой физики. В эту область сейчас инвестируют самые умные корпорации и правительства. Будущая технология передачи информации внедряется на базе существующей. Оптоволоконный кабель, привычный компьютер, но новый роутер и генератор фотонов.
Существование нового интернета начинается с лазера, где находится источник одиночных фотонов. Они обладают хорошим свойством для того, чтобы передавать информацию защищённым путём. Одиночный фотон нельзя разделить. Ключ формируется таким образом, что чтение не возможно. Чтобы превратить фотон в носитель информации, система меняет его состояние, фазу колебания импульсной волны. Сегодня уровень развития квантовой технологии сопоставим с тем, как выглядела мобильная связь тридцать лет назад, ещё пройдёт пять-десять лет и кванты фотона смогут нам подарить безопасный информационный интернет.
Квантовый интернет в Казани
В Татарстане запустили квантовую интернет сеть, её экспериментальный участок находится в Казани. Эта программа является важным достижением в развитии в России. Как утверждают учёные, она абсолютно неуязвима для хакерских атак.
Сегодня защита нашей интернет сети основана на шифровании математических алгоритмов, но даже самый сложный код можно взломать. Чем мощнее вычислительные способности у хакеров, тем проще и быстрее просчитать алгоритм шифрования.
Описываемая в статье технология станет новой структурой сетевой безопасности. Квантовый интернет в Казани будет объединён в четыре узла на расстоянии 30-40 километров друг от друга. Стоимость комплектации между двумя точками составляет около ста тысяч долларов. На экспериментальном участке сеть показала скорость квантового интернета 117кб/c с дистанцией два с половиной километра. Этот результат на порядок выше, чем в европейских испытаниях. В сети показатель потерь передачи квантовых бит в оптическом канале составил двадцать дБ. Это эквивалентно длине линии сто километров.
Стоит заметить, что в данном проекте задействована действующая линия телекоммуникационной сети инфраструктуры «Таттелеком».
Сеть соединит города
В 2017 году предполагается начать проект по внедрению новой технологии. Квантовый интернет в Татарстане позволит соединить офисы в различных городах. Это одно из главнейших заданий, которые ставит перед собой Казанский квантовый центр КНИТУ-КАИ и его руководитель. Наблюдая за их успехами, без сомнений верится, что так оно и будет.
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».
Это пилотный проект, главная задача которого - «полевые испытания»: тестирование технологии, отработка механизмов интеграции квантовых каналов в существующую телекоммуникационную инфраструктуру и масштабирования квантовой сети, - пояснил руководитель Лаборатории квантовой информатики Международного института фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО и лаборатории практической квантовой криптографии Казанского квантового центра Артур Глейм. - Всё это осуществляется на базе действующих городских линий связи. В течение ближайшего десятилетия технология квантовой коммуникации станет такой же привычной и полезной частью нашей жизни, как широкополосный интернет и мобильная связь. Повысится уровень информационной безопасности: прямые атаки на каналы связи и кража данных из них окажутся недоступны для злоумышленников.
Квантовые коммуникации - технология связи, позволяющая обеспечить высочайший уровень защиты передаваемых данных в оптических сетях связи. Сейчас все данные, передающиеся с помощью обычных оптоволоконных сетей (мобильная связь, интернет), теоретически могут быть подвергнуты взлому, поскольку они шифруются с помощью специализированных математических алгоритмов. Чем мощнее у взломщиков компьютер - тем проще им просчитать алгоритм шифрования.
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.
Для реализации квантовой сети специальное оборудование устанавливается на оптоволоконную сеть. С его помощью генерируются, кодируются, передаются и принимаются однофотонные сигналы, посредством которых осуществляется защита передаваемой информации. Пилотный проект в Татарстане реализуется на основе оригинальных разработок российских ученых. По словам Артура Глейма, стоимость комплекта оборудования для соединения двух точек сейчас составляет около $100 тыс, однако он уточнил, что с развитием технологий и производства стоимость оконечных решений существенно снизится.
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.
Мы хотим проложить сеть между Казанью и Набережными Челнами. Сейчас работаем над самим оборудованием, например, по ускорению передачи данных, - рассказывает Сергей Моисеев. - Расстояние для передачи квантов составляет около 100 км. А далее новые узлы «удлиняют» сеть.
Пилотный проект в Татарстане - первая в России квантовая сеть с четырьмя узлами. Пока у нас были реализованы только два проекта, оба по принципу «точка-точка», когда напрямую соединяются только два узла. Самая первая была запущена в университете ИТМО еще в 2014 году - тогда ученым удалось объединить два корпуса вуза по стандартному подземному оптоволоконному кабелю. Вторая сеть была реализована в июне этого года Российским квантовым центром (РКЦ) и соединила два московских здания Газпромбанка. Инвестиции в проект составили более 450 млн рублей.
А вот в проекте Казанского квантового центра и ИТМО участниками защищенной передачи данных могут быть уже несколько сторон, связанных друг с другом квантовыми каналами. Как рассказали ученые, в первую очередь подобная защищенная сеть необходима для финансового сектора и госструктур - организаций, у которых самая высокая потребность в безопасной передаче данных.
Руководитель группы квантовых коммуникаций РКЦ Юрий Курочкин рассказал, что главная проблема, которую решают квантовые сети, это исключение риска «подслушивания» ключа.
Если кто-то посторонний подключится к такой линии, об этом сразу узнают и получатель и отправитель, способа сделать это незаметно не существует, - говорит Курочкин. - Квантовые линии связи могут найти широкое применение везде, где важна защита информации - в банковской, финансовой, корпоративной сфере, у военных, у государственных органов. Любые цифровые данные теоретически можно передавать по квантовым каналам. Но такой уровень защиты нужен далеко не во всех случаях, не имеет смысла шифровать переписку о планах на выходные. Технология квантовой криптографии пока находится на ранней стадии, стадии серверных решений. Для создания мобильных решений и, соотвественно, квантовой мобильной связи требуется значительный технологический прогресс.
Ректор университета Иннополис Александр Тормасов считает, что анонсируемое открытие ученых решает технологические вопросы квантовых сетей, что позволяет начать работу с линиями длиннее одного узла.
У квантовых коммуникаций есть одна проблема, - говорит Томасов. - Если мы выпускаем фотон по оптической линии, то по дороге он может пропасть из-за длины линии и слишком сильного затухания. Если сделать повторители колебаний в середине линии, как в обычных коммуникациях, то это убьет идею двух запутанных фотонов, и линия перестанет быть безопасной. Переход от двух узлов без повторителей к четырем узлам - серьезный шаг современных технологий. И упомянутая работа - большое достижение, которое находится на передовом краю научной мысли. Теперь остается только один вопрос: как уменьшить себестоимость этих решений.
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.
Метки:
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».
Аппарат стоимостью около 100 миллионов долларов был создан в рамках проекта QUESS (Quantum Science Satellite) - совместной инициативы Китайской и Австрийской академии наук. «Данный проект призван доказать возможность внедрения квантовых коммуникаций в мировом масштабе», - комментирует Антон Цайлингер, эксперт по квантовой физике Венского университета, первым в мире выполнивший квантовую телепортацию состояний запутанных фотонов.
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.
По плану Micius станет первым аппаратом в глобальной сети квантовой связи, которую в КНР намерены создать к 2030 году. Одна из задач его научной миссии - квантовая передача информации по защищенному от перехвата каналу связи между Пекином и Веной. Для этого спутник оснащен экспериментальным оборудованием: излучателем пар запутанных фотонов и высокоскоростным когерентным лазерным передатчиком.
Кстати, спутник Micius (в другой транскрипции - Mozi) назван в честь древнекитайского философа Мо-цзы. Как считает ведущий специалист по разработке Micius, академик Цзянь-Вэй Пан из Университета науки и технологии Китая, его соотечественник Мо-цзы еще до нашей эры описал характер распространения света, что дало начало развитию оптическим видам связи. Оставим за рамками статьи национальные притязания на первенство в оптике и посмотрим, чем же интересен поставленный рекорд, а заодно попытаемся разобраться в основах квантовой связи.
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.
Очевидно, что принять на Земле миллиарды фотонов даже от далекого Солнца - не проблема. Любой может сделать это в солнечный день, просто выйдя из тени. Зарегистрировать же одновременно определенную пару запутанных фотонов со спутника в двух разных лабораториях и измерить их квантовые свойства - исключительно сложная техническая задача. Для ее решения в проекте QUESS использовалась адаптивная оптика. Она постоянно измеряет степень искажений, вызываемых турбулентностью земной атмосферы, и компенсирует их. Дополнительно применялись оптические фильтры для отсечения лунного света и городской засветки. Без них в оптической линии связи был слишком сильный уровень шумов.
Каждый проход спутника над территорией Китая длился всего 275 с. За это время требовалось одновременно установить с него два исходящих канала. В первой серии экспериментов - между Делингой и Наньшанем (расстояние 1120 км). Во второй - между Делингой и Лицзянем (1203 км). В обоих экспериментах со спутника успешно принимались пары запутанных фотонов и защищенный канал связи работал.
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
С 2014 года в России запущен проект в области наземной квантовой связи. Инвестиции в него превышают 450 миллионов рублей, но практический выход пока очень скромный. 31 мая 2016 года сотрудниками Российского квантового центра была запущена первая отечественная линия квантовой связи. Созданная на базе существующей оптоволоконной сети, она соединила два отделения Газпромбанка в Москве - на Коровьем Валу и в Новых Черемушках. Расстояние между этими зданиями составляет около 30 км. Пока российская линия квантовой связи функционирует как экспериментальная.
Сигнал от Micius шел через атмосферу и был одновременно принят двумя наземными станциями. «Если бы мы использовали оптоволокно длиной 1200 км для распределения пар запутанных фотонов на Земле, то из-за потери мощности сигнала с расстоянием мы могли бы передавать только одну пару в секунду. Спутник помогает преодолеть этот барьер. Мы уже улучшили скорость распределения на 12 порядков по сравнению с прежними технологиями», - говорит Цзянь-Вэй Пан.
Квантовая передача данных через спутник открывает возможность построения глобальных систем связи, максимально защищенных от перехвата на уровне физических принципов. «Это первый шаг в направлении всемирной безопасной квантовой коммуникации и, возможно, даже квантового интернета», - считает Антон Цайлингер.
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.
Квантовая телепортация - штука и вовсе запутанная во всех смыслах. Давай попробуем абстрагироваться от сложных формул, незримых понятий и разобраться в ее основах. Помогут нам в этом старые знакомые - собеседники Алиса, Боб и вечно подслушивающий их Мэлори.
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
Запутанность элементарных частиц порождает жаркие споры вокруг принципа локальности - постулата о том, что во взаимодействиях участвуют только достаточно близкие друг к другу объекты. На этом принципе строятся все экспериментальные проверки в классической механике. Результат любого опыта в ней зависит только от непосредственно взаимодействующих тел и может быть точно рассчитан заранее. Количество наблюдателей тоже никак на него не повлияет. В случае с квантовой механикой такой определенности нет. Например, нельзя заранее сказать, какая будет поляризация у одного из запутанных фотонов.
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.
Такое постоянное переосмысление квантовой механики происходит потому, что мы пытаемся мыслить привычными категориями в непривычном окружении. Запутанные состояния частиц и, в частности, фотонов - вовсе не мистическое свойство. Оно не нарушает, а дополняет известные законы физики. Просто пока сами физики не могут описать наблюдаемые эффекты в непротиворечивой теории.
Квантовая запутанность наблюдается в экспериментах с 1970-х годов. Разнесенные на любое расстояние пары предварительно запутанных частиц мгновенно (то есть быстрее скорости света) меняют свойства друг друга - отсюда и возник термин «телепортация». Например, стоит изменить поляризацию одного фотона, как парный ему тут же изменит свою. Чудо? Да, если не вспомнить, что изначально эти фотоны были единым целым, а после разделения их поляризация и другие свойства также оказались взаимосвязанными.
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.
У фотона-частицы есть квантовые числа - например, спиральность (положительная или отрицательная). У фотона-волны есть поляризация - например, горизонтальная или вертикальная (либо левая и правая круговая - смотря какую плоскость и направление движения мы рассматриваем).
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.
В экспериментах с квантовой запутанностью фотонов обычно используют свойства нелинейной оптики. Например, если на ограненный определенным образом кусочек ниобата лития или другой нелинейный кристалл посветить лазером, то возникнут пары фотонов со взаимно ортогональной (то есть горизонтальной и вертикальной) поляризацией. Один (сверх)короткий импульс лазера - строго одна пара фотонов. Вот где магия!
Дополнительный бонус квантовой передачи данных
Спиральность, поляризация - все это дополнительные способы кодировать сигнал, поэтому одним фотоном можно передать более одного бита информации. Так в квантовых системах связи повышается плотность передачи данных и ее скорость.
Использовать квантовую телепортацию для передачи информации пока слишком сложно, но прогресс в этой области движется стремительно. Первый успешный опыт был зарегистрирован в 2003 году. Группа Цайлингера выполнила передачу квантовых состояний запутанных частиц, удаленных друг от друга на 600 м. В 2010 году группа Цзянь-Вэй Пана увеличила это расстояние до 13 км, а затем в 2012 году побила собственный рекорд, зафиксировав успешную квантовую телепортацию на расстоянии 97 км. В том же 2012 году Цайлингер взял реванш и увеличил расстояние до 143 км. Теперь совместными усилиями они совершили настоящий прорыв - выполнили передачу на 1203 км.
Есть ли пределы развитию компьютерной индустрии? С учётом темпов этого развития за последние полстолетия поневоле складывается довольно радужное впечатление о перспективах дальнейшего совершенствования информационных технологий. Хотя не далее, как в 2007 году небезызвестный Гордон Мур заявил, что его закон, предсказывающий удвоение числа транзисторов на кристалле интегральной схемы каждые два года, судя по всему, совсем скоро перестанет действовать по банальной причине атомарной природы вещества и ограничения скорости света…
О возможностях преодоления упомянутой выше скорости спорить пока что не будем, но в отношении атомов очень даже возможно, что дело обстоит далеко не так печально. Ведь как ещё в середине 1980-х, когда персональные ЭВМ только начинали свой триумфальный путь на смену мэйнфрэймам, утверждал ещё более знаменитый американский физик, Нобелевский лауреат Ричард Фейнман (1918–1988) : «Похоже, что законы физики не представляют никакого предела уменьшению размера компьютеров вплоть до того, что биты станут величиной с атомы и властвовать начнёт квантовое поведение».
Собственно, квантовые компьютеры, которые отчасти преодолевают ограничения атомарной природы вещества и о которых ещё целое десятилетие назад, существуют на бумаге вот уже лет так тридцать с лишним, благодаря исследованиям всё того же Фейнмана, выдвинувшего идею такого устройства в 1981 году, – хотя даже чуть раньше и независимо от него это сделал уроженец Симферополя математик Юрий Манин. Напомним, что в «обычных» компьютерах носители, от перфокарт и транзисторов, содержат в себе информацию, закодированную в двоичной системе счисления: наличие или отсутствие отверстия, индукция магнитного поля больше или меньше пороговой величины и просто состояния «вкл. / выкл.» переводятся в биты, состоящие из нулей и единиц.
Квантовые аналоги «битов», именуемые «кубитами» (от quantum bit – что, кстати сказать, во многих языках удачно совпадает по звучанию с древнегреческой и древнеримской единицей измерения длины, аналогом «локтя»), как носители информации компьютера качественного иного типа отличаются способностью к так называемой «суперпозиции» – умению находиться сразу в обоих состояниях (условно говоря, «1» и «0») одновременно, но только до тех пор, пока такое состояние не будет измерено. В теории такая странная особенность субатомных частиц вот уже почти столетие служит предметом многих споров и сложных гипотетических ситуаций, вроде знаменитого (и очень несчастного) «кота Шрёдингера», вынужденного быть одновременно и живым, и мёртвым в коробке с радиоактивным веществом, в котором возможный распад одного из атомов причиняет активизацию смертельного яда. Однако на практике такие малопонятные свойства атомов давно уже используются – и сфера компьютерных технологий тому не исключение.
Хитрость заключается в том, что если в самом начале вычислений перевести систему, состоящую из квантовых носителей информации с внесёнными исходными данными, в состояние суперпозиции, такие вычисления будут производиться для всего полученного набора данных параллельно – то есть, с огромным ускорением в решении задачи. Правда, возникает проблема измерения таких вычислений – поскольку, подобно тому, как и кот Шрёдингера, если открыть коробку и «посмотреть» на его состояние, всегда окажется в результате либо живым, либо мёртвым, так и «кубиты» при измерении их данных смогут дать нам лишь один ответ, не смотря на весь «параллелизм» предшествующих этому измерению вычислений. А потому, при всех достоинствах и невиданных преимуществах такого рода ЭВМ, использовать его получится далеко не для любых расчётов.
В 1990-х годах было предложено сразу несколько возможных схем работы квантового компьютера, названных именами выдвинувших их учёных. Так, алгоритм Питера Шора из Bell Laboratories предусматривает, что нас может интересовать не вся последовательность значений функции, а только её период, куда более доступный для измерения. Зато при помощи этого алгоритма на квантовом компьютере можно с небывалой скоростью – где-то в 100 млн. раз быстрее! – решить задачу факторизации, то есть определения простых множителей больших чисел, что, в свою очередь, позволяет чуть ли не моментально расшифровывать криптографические алгоритмы с открытым ключом, поскольку существующие ныне RSA-криптосистемы как раз и строятся на недоступности этой задачи текущим мощностям обычных ЭВМ.
Элемент квантового компьютера в представлении художника: нанотрубка с фуллеренами – молекулярными соединениями в виде футбольного мяча и с атомами азота внутри, которые и выступают в качестве «кубитов». © 2013 Karl Nyman; OxfordQuantum.org.
Получается, что квантовые компьютеры никак не могут претендовать на место обычных, электронных, – они способны выступать скорее дополнением к ним, организуя помощь в решении особого рода задач. Так что перспектива скорого обзаведения карманными квантовыми ПК для домашних пользователей пока что оказывается весьма отдалённой – тем более что и на пути простого воплощения идеи вычислительных машин на основе кубитов имеется немало препятствий. Во-первых, чтобы «запустить» решение любой задачи на квантовом компьютере, сначала нужно произвести, что называется, «инициализацию» кубитов, приведя их в «нулевое», исходное состояние, – а для этого в свою очередь требуется охлаждение носителей информации до температур, близких к абсолютному нулю. Стало быть, существовать устройства нового типа могут лишь в особых криокамерах с экстремальной заморозкой.
Во-вторых, – и эта проблема намного более сложная, – квантовые биты, – столь же подвержены ошибкам в вычислениях, как и обычные ЭВМ. На середину 1990-х годов уровень ошибок достигал запредельных десяти процентов – тогда как теоретически допустимым значением является 0,0001%. В настоящее время учёным удалось снизить этот показатель до уровня менее одного процента, – и хотя работы предстоит ещё немало, по умеренно оптимистическим прогнозам достичь удовлетворительной работоспособности квантовых компьютеров планируется уже где-то в начале 2020-х годов.
Собственно, «квантовый интернет» вряд ли способен привнести что-либо принципиально новое в процесс передачи информации по каналам дистанционной связи: для общения между людьми обычных «единиц» и «нулей» вполне достаточно, и привлечение суперпозиции и спутанности ничего к этому не прибавит. Ведь раз уже любое измерение квантовой системы меняет её состояние, «квантовая информация» не может быть скопирована традиционным образом; другое дело, что точно так же, как квантовые компьютеры представляют собой потенциально полезное дополнение к электронным вычислительным устройствам, предназначенное для скоростного выполнения специфических задач, – так и в области связи «квантовый интернет» может выступить специализированной версией «обычного». И прежде всего – более защищённой и безопасной, поскольку не только декодирование, но и зашифровка сообщений оказывается сильной стороной именно квантов.
Фотоснимок кристалла со «спутанными» фотонами. © Félix Bussières; University of Geneva.
Перспективную идею такого использования квантовых компьютеров в области коммуникации подал в 1991 году Артур Экерт, британский учёный (в хорошем смысле этого словосочетания) польского происхождения, специалист по части как квантовой физики, так и криптографии, продемонстрировавший на бумаге, каким именно образом феномен квантовой спутанности может служить для достижения небывалого уровня безопасности в деле шифрования сообщений . Речь идёт, в частности, о том, что один из двух связанных фотонов передаётся на дальнее расстояние, где взаимодействует с третьей частицей, причём состояние этого третьего фотона передаётся не только второму, с которым он непосредственно встречается, но и мгновенно «телепортируется» к его близнецу, фотону №1. Благодаря этому свойству достигается передача секретных сообщений: когда двое людей обмениваются «спутанной» парой частиц, квантовое состояние – своего рода «информация», пусть и не в полноценном смысле этого слова, – передаётся между ними без какого бы то ни было материального носителя и непосредственного взаимодействия, что буквально исключает возможность перехвата таких сведений третьим лицом .
Не самая простая для понимания схема устройства «квантового интернета» .
В настоящее время несколько компаний уже предлагают и коммерчески доступные устройства, основанные на применении такого рода криптографии. Например, швейцарская idQuantique ещё в 2007 году обеспечивала технологию кодировки при передаче результатов голосований на выборах из Женевы в Берн, объявив, что полная безопасность и защита транслируемых данных гарантирована железными законами физики. Правда, те особенности поведения квантовых частиц, благодаря которым «подсмотреть» их состояние невозможно, ибо это будет означать изменение такового, а значит, факт «перехвата» сразу же станет известным, – эти особенности делают практически бессмысленной передачу информации таким «самоуничтожающимся» образом, но зато позволяют применить отличный способ обмена ключами для расшифровки закодированной информации, передаваемой уже обычным способом. Данная технология называется «квантовым распределением ключей»: после того, как ключи переданы и подтверждены, – а значит, никто не смог «подсмотреть» их по пути, иначе изменение в состоянии частицы было бы очевидно, – можно приступать к шифрованию информации и её непосредственной трансляции, которая, таким образом, будет сопряжена с минимумом возможных рисков .
Конечно, практикуемый на данный момент вариант квантовой технологии не лишён и ряда недостатков: хакеры даже рапортовали в своё время об успешном взломе «предельно безопасного» канала связи , – хотя учёные и уверяют, что все возможные утечки были связаны с техническими ошибками в реализации теоретически неуязвимого квантового кодирования (которые ими постоянно устраняются по мере совершенствования технологий). Другая проблема несколько менее приятна: текущая версия коммерческой реализации квантового распределения ключей требует дорогостоящего серверного оборудования и оптического кабеля, передаётся по этому последнему . Так что остаётся только дожидаться гипотетического внедрения квантовых репитеров, чтобы если и не транслировать информацию, то передавать ключи для дешифровки при помощи спутников, подобных «Мо-Цзы».
Прогнозируемое использование квантовых спутников Квантовое распределение ключей .
Как можно увидеть результате этого небольшого обзора, проекты, основанные на закономерностях квантовой механики, – по крайней мере, пока что – далеки от того, чтобы представлять собой новую революцию в области информационных технологий. Квантовые компьютеры и тем более «квантовый интернет» даже в теории и на бумаге не столько заменяют, сколько дополняют собой ныне существующие способы вычисления и передачи данных. Первые оказываются слишком уж сложными в обслуживании специализированными, предназначенными для решения определённых задач, а потому больше подходят для «облачных» вычислений, уже практикуемых некоторыми «пионерами», – а вторые потенциально способны помочь в достижении высочайшего уровня безопасности трансляции информации по сети, но требуют ещё немалого усовершенствования. Тем не менее, как сообщает в своих последних победных рапортах IBM , её проектом тех самых облачных вычислений на сравнительно небольшом квантовом компьютере уже воспользовалось более 60 тысяч пользователей, проведших 1,7 с лишним миллионов квантовых экспериментов. А значит, вполне вероятно, что новые открытия не за горами.