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:
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.
Для того чтобы сплести вместе кубит с фотоном использовалась температура в -263,15 градусов по Цельсию и высокотехнологичный лазер. При этом фотоны можно извлечь из оптоволоконного кабеля, где и происходит процесс квантовой запутанности. Этот процесс также применяли для запутывания ионов иттербия, а также в рубидии его нейтральных атомов.
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.
Это просто перемещение информации из различных мест с физической отправкой чего либо в промежутке. Согласно информации BBC News , результатом исследования может стать система связи повышенной безопасности. А на её основе может родиться квантовый интернет будущего.
КАК ТЕЛЕПОРТИРОВАЛАСЬ ИНФОРМАЦИЯ
В 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
Доктор 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».
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.