Квантовая связь что это
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: что разрабатывают в России и за рубежом
В прошлом материале мы говорили о перспективах квантовых сетей и сложностях, которые стоят перед их разработчиками. Сегодня расскажем, над какими проектами работают отечественные и иностранные исследователи. Если вам интересна эта тема, приглашаем под кат.
Где и зачем нужны квантовые сети
Обмен данными в квантовых сетях происходит с помощью поляризованных фотонов, называемых кубитами. Такие сети нельзя «прослушать», так как кубиты очень хрупкие и при считывании меняют свое значение. В результате стороны, обменивающиеся данными по защищённым каналам, могут сразу идентифицировать MITM-атаку. При этом явление квантовой запутанности позволяет узнавать об изменении свойств квантовых частиц на расстоянии. Эта особенность может использоваться для генерации случайных чисел в двух точках одновременно.
По этим причинам квантовые сети нашли применение в системах распределения и генерации криптографических ключей.
Зарубежные разработки
Разработкой квантовых систем распределения криптографических ключей занимается множество европейских государств, а также США, Китай и другие страны.
Первый рабочий проект квантовой сети был разработан DARPA (Управление Министерства Обороны США) в далёком 2001 году. Её создавали те же организации, что ранее занимались реализацией ARPNET. Сейчас квантовая сеть развернута в Массачусетсе, где соединяет несколько научных и военных организаций.
Некоторое время спустя в сфере квантовой криптографии появились первые коммерческие решения. В 2002 году дебютировала система Navajo от MagiQ Technologies, которую используют NASA. Система использует протокол квантового распределения ключа BB84. Этот протокол предполагает, что коммуницирующие узлы имеют два соединения: оптоволоконное (квантовое), по которому происходит обмен криптоключами, и классическое интернет-подключение для передачи данных. Такой подход используется и сегодня.
В самом начале нулевых работу над технологиями квантовой криптографии проводили и европейские исследователи. Примером может быть проект SECOQC, созданный для поддержания государственной безопасности стран Евросоюза. В 2004 году ЕС инвестировал в проект 11 млн евро, и в 2008 сеть запустили в Вене.
На тот момент главной проблемой, с которой столкнулись исследователи, была сложность передачи запутанных кубитов на большие расстояния. В частности, длина квантовой сети MagiQ ограничивалась 30 километрами.
Воздействие внешней среды разрушает кванты (эффект носит название декогерентности). Этот эффект также является причиной сложности длительного удержания «запутанного» состояния квантовых частиц.
Сегодня активно ведутся разработки, которые адресуют эту трудность. В частности, сотрудники Делфтского института в Голландии работают над повторителями, которые должны помочь увеличить масштабы сетей. Для проведения тестов они прокладывают десятикилометровую квантовую сеть между городом Делфт и Гаагой. Позже — к 2020 году — она должна соединить четыре европейских города.
Также некоторые страны работают над реализацией спутниковых квантовых систем распределения криптографических ключей. Например, в прошлом году китайские инженеры совершили первую в истории квантовую телепортацию при передаче данных из космоса.
Фотоны транслировались на землю с помощью лазеров. Чтобы снизить влияние декогерентности на передаваемые квантовые частицы, спутник вывели на 500-километровую орбиту. Таким образом, частицы света значительную часть пути преодолевают в вакууме. При этом влияние атмосферы снизили за счет размещения принимающей станции на высоте в четыре километра над уровнем моря в Тибете. В начале этого года сотрудники Пекинской Академии Наук использовали спутник для проведения телеконференции с применением квантовой связи.
/ Flickr / Jeremy Atkinson / CC BY
Как дела в России
Эксперименты с квантовыми сетями и распределением квантовых ключей ведутся и в России. Считается, что первую в нашей стране квантовую сеть (а, точнее, линию) проложили исследователи из Университета ИТМО между двумя корпусами вуза.
Через пару лет эти же специалисты совместно с коллегами из Казанского квантового центра запустили первую в РФ многоузловую квантовую сеть. Всего узлов было четыре, располагались они на расстоянии 40 км друг от друга. Сейчас исследователи работают над прокладкой сети из Казани в Набережные Челны и ведут переговоры с финансовыми организациями, заинтересованными в адаптации технологии для реализации шифрованных коммуникаций.
Еще пример разработки — в 2016 году физики из Российского квантового центра (РКЦ) проложили первую квантовую сеть в условиях города. Оптоволоконные кабели протянули между двумя банковскими отделениями в Москве, находящимися в 30 километрах друг от друга. Теперь специалисты из РКЦ работают над 250-километровой линией квантовой связи. Она будет пролегать между офисом РКЦ, технопарком «Сколково» и дата-центром «Сбербанка». Сеть разделят на десять участков длиной в 80 километров. На некоторых отрезках сети данные планируют передавать с помощью ИК-лазеров.
Можно ожидать, что проекты, ныне спонсируемые финансовыми, научными и государственными институтами, со временем позволят организовать более масштабные квантовые сети.
О чем еще мы пишем в блоге на сайте VAS Experts:
Китай создал квантовый сигнал связи с помощью спутника
Международная команда ученых объявила о первой одновременной передаче зашифрованного квантового сообщения, которое было отправлено с космического спутника на два наземных телескопа, расположенных на расстоянии 1120 километров друг от друга. Таким безопасным каналом связи ученым удалось соединить города Наньшань и Дэлинха. Правда, пока данные передаются довольно медленно – на отправку одного байта уходит около полутора минут. Как пишет испанская El Pais, несмотря на то, что квантовые явления происходят в микроскопических масштабах, они могут оказывать влияние на видимый мир.
Китайские ученые создали квантовую линию связи. Ее длина превышает тысячу километров.
Что такое квантовый канал связи?
Используя спутник «Мо-Цзы» физики из Китая, Великобритании и Сингапура создали квантовый канал связи между двумя китайскими городами. Необходимо отметить, что одна из главных проблем в работе современных систем квантовой связи заключается в том, что свет при движении через оптоволокно постепенно «угасает», поэтому для ретранслятора был использован спутник «Мо-Цзы» (Micius):
Используя спутник связи «Мо-Цзы» нам удалось произвести квантовый обмен ключами между двумя наземными станциями. Это стало возможным благодаря повышению эффективности передачи запутанных фотонов примерно в четыре раза и достижению скорости в 0,12 бит в секунду. А вот используя наземные системы передачи данных расстояние между узлами квантовых сетей составляет всего несколько сотен километров – пишут авторы в новой работе.
Теоретически, квантовое распределение является абсолютно безопасным способом обмена секретными ключами между удаленными пользователями. Метод основывается на фундаментальных законах квантовой физики: процесс измерения квантовой системы изменяет ее состояние. Как пишет The Conversation, две частицы могут быть переплетены таким образом, что то, что происходит с одной, мгновенно происходит с другой, даже если их разделяют миллиарды километров. Если кто-то пытается наблюдать эти частицы во время передачи, их состояние меняется, а запутанность нарушается. Это свойство позволяет создать систему связи, теоретически невозможную для взлома, поскольку сам факт наблюдения уничтожает сообщение.
Изображение предоставил Nature Juan Yin, / Nature, 2020
Если все происходящее кажется несколько удивительным, то вам будет интересно узнать, что в течение многих лет Китай, Европа и США работают над развитием квантовых коммуникационных сетей для отправки официальных сообщений или создания систем кибербезопасности на стратегических объектах. Ранее в лабораторных условиях исследователи продемонстрировали экспериментальное распределение ключа используя оптоволокна длиной 421 км.
Чтобы всегда быть в курсе последних научных открытий в области физики, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram!
В исследовании, опубликованном в журнале Nature, ученые подробно описывают передачу секретного ключа, написанного парами запутанных фотонов — частиц света с помощью спутника «Мо-Цзы», который вращается на расстоянии 500 километров от Земли. Использование спутника имеет решающее значение, поскольку передача этих сообщений с использованием оптического волокна теряет много фотонов, так что ретрансляторы требуются каждые 100 или 150 километров. Более того, ретранслятор со всеми его механическими компонентами может быть взломан.
Мир квантовой информации
Примечательно, что в опубликованном исследовании ученые наглядно демонстрируют защиту своей системы связи от различных типов атак и показывают, что она безопасна. Ее скорость и эффективность в 100 миллионов раз выше, чем у наземного оптического волокна. Работа закладывает основу глобальной квантовой коммуникационной сети, подчеркивают авторы исследования. И действительно, до сих пор никому не удавалось осуществить передачу квантового сообщения на таком большом расстоянии.
Власти Поднебесной много лет инвестируют крупные суммы денег в новые технологии квантовой связи как в космосе, так и на земле. В предыдущем эксперименте исследователям удалось подключить Пекин и Шанхай к волоконно-оптической сети для передачи квантовых ключей. Кроме того, страна поставила несколько рекордов в области связи из космоса, например, передача в 2017 году квантового ключа, который позволил поддерживать телеконференцию между Веной и Пекином на расстоянии более 7000 километров, кстати, также с помощью спутника спутника «Мо-Цзы».
Квантовая связь – это совокупность методов для передачи закодированной информации в квантовых состояниях из одной точки в другую.
Разница заключается в том, что в прошлый раз спутник выступал в качестве сейфа для хранения ключа при перемещении из точки А в точку В. Именно во время передачи сигнал становится уязвим для шпионажа. Напомним, что концепция квантовой связи была придумана в Европе, и именно здесь были проведены первые фундаментальные эксперименты в этой области. Но так как Китай делает большую ставку на освоение этой технологии, эта область научных исследований щедро финансируется. Авторы исследования также полагают, что успех последнего эксперимента подтолкнет Европу к разработке собственной сети, правда, используя свои технологий. Что, не могу не отметить, несколько странно, так как у науки не существует границ.
Так или иначе, следующей важной вехой будет использование геостационарных спутников, расположенных на расстоянии около 35 000 километров от Земли позволит увеличить расстояние, на которое могут передаваться зашифрованные сообщения с помощью квантовой технологии. А как вы думаете, к чему нас приведет создание квантовой системы связи? Ответ будем ждать здесь!
Прорыв в области квантовой связи
В современных информационных сетях данные передаются в виде потока вспышек света по оптическому волокну: если вспышка есть – единичка, если нет – нолик. Но такая передача информации небезопасна, потому как эти вспышки можно вполне легко «подсмотреть», используя специальную технику, при этом, ни получатель, ни отправитель не будет знать о том, что сообщение было перехвачено.
В случае использования квантовой связи фотоны передают определенными группами, а ноли и единицы записываются особым образом. В том случае, если кто-либо захочет перехватить письмо, он это возможно сделает, но это, во-первых, не останется незамеченным, а во-вторых, вряд ли он прочтет это послание.
Впервые такой алгоритм был придуман американским физиком Чарльзом Беннетом и канадским криптологом Жилем Брассаром в 1984 году. Через пять лет алгоритм был реализован в условиях лаборатории – криптофотоны передавались по воздуху на расстояние в тридцать сантиметров. Однако что касается промышленного использования, то первые решения появились лишь в 2002-2004 годах. Но до настоящего момента они являются весьма дорогим удовольствием, стоимость которого оценивается в сотни тысяч долларов. Физически подслушать канал квантовой связи невозможно, поскольку это противоречит законам квантовой механики.
Вместе с тем, существует большая проблема, связанная с объединением квантовых каналов в единую сеть, поскольку квантовость нарушается в сетевых узлах. В настоящее время Европейский Союз принялся за реализацию весьма амбициозного проекта глобальной квантовой сети, которая носит название SECOQC, но в ней криптофотоны будут переконвертироваться в биты и передаваться по доверенным узлам сети. Пока квантовую связь можно использовать только между двумя объектами, причем расстояние между ними не должно превышать 200 километров, потому как на большие расстояния единичные фотоны просто не смогут долетать. Более того, чем больше расстояние – тем меньше скорость передачи данных, вплоть до нескольких сотен бит в секунду времени.
Все существующие на сегодня установки, использующие квантовую связь, ограничиваются передачей ключей шифрования, поэтому очень часто квантовая связь носит название «квантовое крипто». После того, как объекты получают необходимые ключи, они шифруют информацию и передают ее по сети. Но при этом ключи для шифрования должны очень часто меняться, поскольку скорость соединения остается весьма медленной.
Возникает вопрос: если существует такое большое количество проблем с квантовой связью, почему нельзя использовать открытые шифровальные программы типа PGP и обходиться без квантов? Ответ прост: дело в том, что несмотря на все удобство систем с открытым ключом, надежность их гарантировать не может никто. В это же время, среди закрытых программ существуют такие, которые даже теоретически взломать невозможно, но при этом нужно заранее обеспечить все стороны нужными ключами, а в современных компьютерных системах эту проблему решить практически невозможно. Но ее можно решить при помощи квантовой связи: убедиться в том, что ключ никто не перехватил, помогает физика, а недоступность зашифрованных с его помощью данных – математика.
Вместе с тем, стоит упомянуть и о том, что понятие «безусловной защищенности» не совсем верное. Да, мощная компьютерная техника не поможет добраться до засекреченной информации, зато есть другие способы, например, побочные каналы утечки данных, технические ошибки, или же «троянские атаки».
Энтузиазм физиков передался промышленникам, бизнесменам, государственным структурам. Молодым компаниям, которым еще не удалось толком продать первые квантовые «черные ящики», предлагают многомиллионное финансирование на проведение дальнейших исследований. Очень серьезно идеи квантовой связи стали продвигаться и в общественном сознании. Первыми в этом плане стали швейцарцы, которые продемонстрировали преимущества квантовой коммуникации в ходе парламентских выборов 2007 года. И хотя реально польза от нее была небольшая, зато пиар получился просто великолепный, потому как население Швейцарии очень ответственно относится к избирательному процессу. Поэтому для них важна правильность подсчета голосов. А связь квантовой коммуникации и защиты результатов выборов – это хорошо продуманный рекламный ход, который обратил внимание не только на квантовую связь, но и на развитие швейцарской науки.
Развитие квантовой связи продолжается весьма интенсивно. И вот в мае текущего года появилась информация о том, что китайским физикам удалось передать фотоны на рекордное расстояние, равное 97 километрам, по открытому воздуху. Передача запутанных фотонов осуществлялась при помощи лазера, мощность которого была равна 1,3 Ватта. Опыты проводились над озером, расположенным на высоте 4 тысяч метров над уровнем моря. Основная проблема в процессе передачи фотонов на такое значительно расстояние была связана с уширением луча, поэтому ученые использовали дополнительный направляющий лазер, при помощи которого подстраивались приемник и передатчик. Кроме того, фотоны терялись не только из-за уширения луча, но и по причине несовершенства оптики и турбулентности воздуха.
Как бы там ни было, в ходе 4-часового эксперимента на расстояние 97 километров удалось передать порядка 1100 запутанных фотонов. Но, по словам ученных, потери фотонов совсем незначительны, поэтому вполне можно предполагать, что в ближайшем будущем квантовая связь может быть осуществлена между коммуникационным спутником и наземной станцией.
Отметим, что ученые и раньше проводили исследования по передаче запутанных фотонов, но дальность передачи не была большой – порядка километра. Причина тому – взаимодействие частиц со средой распространения, и, как результат, потеря квантовых свойств. Как видим, передача по воздуху оказалась более эффективной.
Спустя несколько дней после проведения китайского эксперимента появилась информация о том, что европейским ученым удалось побить рекорд китайских ученых, передав запутанные фотоны на расстояние, равное 143 километрам. Как утверждают его авторы, эксперимент длился более года. Причина тому – плохие погодные условия. Известно, что опыты проводились в Атлантическом океане между островами Тенерифе и Ла Пальма. Как и в предыдущих исследованиях, передача информации была осуществлена двумя каналами – обычным и квантовым.
В настоящее время становится очевидным, что достижение китайских физиков оказались более удачными. Ученым впервые удалось использовать квантовую связь между базовой наземной станцией и летящим на значительной высоте самолетом.
На борту самолета Do228, летящего на высоте 20 километров со скоростью 300 километров в час, находились приемник и источник (инфракрасный лазер) фотонов. Базовая станция использовала оптическую систему, в структуре которой находилась система зеркал с приводами высокой точности, для определения направления и положения самолета. После того, как были точно установлены все координаты самолета, а также оптическая система приемника, станционное оборудование могло определять поляризацию фотонов и использовать данную информацию для расшифровки квантовых данных.
Сеанс связи длился примерно 10 минут. Однако не вся передаваемая информация шифровалась при помощи квантовой криптографии. Квантовым методом передавались только ключи шифрования, менявшийся через определенное количество килобайт информации (около 10 Кбайт), которая передавалась обычным методом. Использованный метод передачи ключей называется квантовым распределением ключей, в нем для кодирования единиц и нолей используется разная поляризация фотонов.
Необходимо также отметить, что частота возникновения ошибок во время сеанса не превысила 5 процентов, что можно считать большим успехом в области квантовой связи.
Таким образом, можно говорить о том, что ученым удалось вплотную приблизиться к созданию спутниковой системы квантовой связи. При этом, существует предположение, что для организации такой связи потребуется даже меньше усилий, поскольку погодные условия имеют большое влияние у земной поверхности, но в вертикальном направлении они не должны быть столь значимы.
По мнению экспертов, если эксперименты завершатся удачно, квантовую спутниковую связь можно будет применить для организации информационной защищенной сети между посольствами тех государств, у которых данная технология уже существует.
В то же время, существует определенное число ученых, которые считают, что наряду со способностью обеспечить мощную защиту передаваемой информации, квантовая связь не способна решить целый ряд других, не менее важных проблем. Так, по словам Барта Пренеля, профессора Католического университета в Левене, существуют следующие проблемы. Во-первых, отправитель, использующий квантовую связь, должен быть уверен в том, что на другом конце находится вполне конкретный получатель. Поэтому необходимо выдать обеим сторонам секретный код. Но если это возможно для небольших, хорошо продуманных и организованных узлов, то в массовом использовании квантовую коммуникацию использовать нельзя. Во-вторых, квантовая криптография не дает возможности подписывать документы. В-третьих, квантовая криптография не может гарантировать защиту информацию, которая уже хранится. Ведь в современных информационных системах главное – не защита передаваемой информации, а защита конечных узлов, где эта информация будет храниться.
Поэтому с точки зрения коммерческого использования квантовая криптография еще некоторое время не будет жизнеспособной.