Квантовая тарификация что это
Квантовая защита: как работает сеть связи, которую невозможно прослушать
Центр квантовых технологий МГУ и кампусы университета на Ленинских горах и Моховой связала первая в мире квантовая сеть. Ее особенность в том, что звонки или видеоконференции полностью защищены от прослушивания или взлома.
Внедрение безопасной системы связи это лишь начало. Российские ученые уже создали прототип компьютера, который сможет решать задачи, непосильные даже для самой мощной современной техники.
Сергей Кулик, научный руководитель Центра квантовых технологий МГУ: «Аппарат называется квантовый телефон. Можно очень безопасно обмениваться сообщениями. Поскольку это квантовая сеть, звонок взломать невозможно. Так она устроена, что те однофотонные состояния, которые формируют ключ, если их попытаются перехватить, связь прерывается».
Квантовые ключи, которые меняются несколько раз в минуту и необходимы для шифрования, вырабатываются не в телефонах, а между сетью устройств, соединенных оптическим волокном. Сеть МГУ уже состоит из 20 телефонных аппаратов, а протяженность квантового канала свыше 30 километров. Для данной технологии это очень много. Эта сеть, которую прослушать невозможно, существует не первый день. Новость в том, что теперь, после испытаний и проверок, технология сертифицирована ключевыми органами безопасности. Стойкость к взлому доказана.
Устойчивость технологии к взлому основана на фундаментальном принципе квантовой физики о невозможности измерить фотон, не изменив при этом его состояние. Это лишь один из парадоксов квантовой механики.
Работа с этим фундаментальная наука настоящего для практики в будущем. Главная цель ученых квантовые компьютеры. В теории такие машины смогут решать благодаря парадоксам квантового мира задачи, с которыми не справятся сколь угодно большие суперкомпьютеры нынешней механики. По сути, пока действительно рабочего и применимого на практике квантового компьютера нет. Есть только прототипы, собранные буквально вручную.
По оценкам экспертов, после 2027 года рынок квантовых компьютеров будет расти на 50% в год. То есть это то будущее, которое уже можно потрогать. Квантовый телефон, квантовый шифровальщик и квантовый же генератор случайных чисел будущее, которое уже используется и даже продается.
В России заработала первая линия квантовой связи
В России начала работу первая линия квантовой связи. Она имеет протяженность 700 км, что делает ее самой крупной в Европе. Строительство вели РЖД на базе собственных оптоволоконных сетей, и к 2024 г. протяженность линий квантовой связи возрастет до 7000 км, хотя изначально планировалось за этот срок развить ее до 10 тыс. км. Размер вложений к 2024 г. составит более 19 млрд руб.
Первая в России линия квантовой связи
В России заработала первая в стране линия связи по магистральному защищенному квантовому каналу. Как сообщили CNews представители РЖД, с ее помощью был осуществлен первый сеанс видеосвязи.
Магистральный канал соединяет Москву и Санкт-Петербург. Он имеет протяженность 700 км, что делает его самым крупным в Европе и вторым по величине в мире. Представители РЖД утверждают, что при строительстве канала использовались отечественные решения.
Строительством канала связи занимались РЖД. Помощь в этом компании оказывали Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (ИТМО), а также компании ООО «Специальный Технологический Центр», ООО «СМАРТС-Кванттелеком», ООО «Амикон».
Физическая основа квантовых сетей в данном случае – это магистральные оптоволоконные каналы РЖД.
Сеанс связи был осуществлен при участии российского вице-премьера Дмитрия Чернышенко. С его слов, квантовыми коммуникациями интересуются как частные корпорации, так и государственные органы. Чернышенко добавил также, что развитие квантовых сетей в России продолжится, и до 2024 г. их протяженность увеличится до 7000 км.
Председатель правления ОАО «РЖД» Олег Белозеров, тоже принимавший участие в запуске 700-километрового квантового канала связи, назвал этот проект плотным. Он заявил, что на его реализацию ушло меньше года.
Как работают квантовые коммуникации
Основная задача квантовых сетей заключается в безопасной и быстрой передаче данных на большие расстояния. Такие сети базируются на оптоволоконных кабелях. Передаваемые по ним данные шифруются алгоритмом квантового распределения ключей.
Под этим алгоритмом подразумевается создание двух произвольных ключей, по одному для каждой из сторон передачи информации, и выработку общего произвольного ключа, необходимого для шифровки и дешифровки передаваемых данных фотонах. Общий ключ известен только «собеседникам», что исключает возможность несанкционированного перехвата.
В случае осуществления попытки несанкционированного получения доступа к передаваемой информации без ключа дешифровки сами данные будут искажены, поскольку измерение квантового состояния фотона невозможно без внесения в него изменений. Этот принцип лежит в основе квантовой криптографии. Она была предложена более полувека назад, в 1970 г. израильским физиком-исследователем Стивеном Визнером (Stephen Wiesner) и канадским физиком-теоретиком Жилем Брассаром (Gilles Brassard).
Как РЖД связаны с квантами
РЖД – один из инициаторов развития квантовых сетей в России. Об интересе компании к этому направлению стало известно в июле 2019 г, когда она подписала соглашение о намерениях с Правительством России. На церемонии подписания присутствовал Президент России Владимир Путин, а его цель заключается в ускорении технологического развития и достижения Россией позиции одного из лидеров на глобальных технологических рынках в сфере квантовых коммуникаций.
К январю 2020 г. у РЖД был готов проект «дорожной карты» развития квантовых сетей. В Согласно нему, компания планировала вложить в них 24,7 млрд руб. до 2024 г. включительно. Половину этой суммы (12,9 млрд руб.), как было указано в проекте, предлагалось взять из бюджета страны, 5,3 млрд руб. хотели выделить сами РЖД, а 6,5 млрд руб. планировалось привлечь из внебюджетных источников.
В конце июля 2020 г. проект «дорожной карты» претерпел ряд изменений, в том числе и по части размеров вложений. Сумма уменьшилась до 19,3 млрд руб. за период до 2024 г. включительно. Из этой суммы федеральный бюджет выделит 13 млрд руб., внебюджетные источники – 6,5 млрд руб., а РЖД – 5,3 млрд руб.
«Дорожная карта» РЖД была принята властями в конце лета 2020 г., о чем сообщил Дмитрий Чернышенко во время запуска соединившего две столицы квантового канала. «Дорожная карта по квантовым коммуникациям была подписана только в августе прошлого года, но уже сейчас есть конкретный результат – квантовая сеть, которую мы сегодня запустили», – сказал вице-премьер.
Специально для развития квантовых сетей в РЖД в августе 2019 г. было создано отдельное подразделение – Департамент квантовых коммуникаций. Как сообщал CNews, основная цель нового отдела заключается в повышении эффективности бизнес-процессов РЖД, безопасности железнодорожного транспорта, а также наращивание эффективности использования инфраструктуры российской железнодорожной сети.
Планы на будущее
Олег Белозеров сообщил, что РЖД планируют и дальше работать над развитием квантовых сетей в России. «По дорожной карте мы должны реализовать 120 проектов, 75 продуктов и сервисов», – отметил он, добавив, что магистральная квантовая сеть Москва – Санкт-Петербург даст возможность «апробировать новые технологические решения, внедрить критически важные сервисы».
Глава РЖД также сообщил, что компания примет участие в организации проектов по внедрению отечественных программных коммуникационных систем в деятельность исполнительных органов государственной власти Санкт-Петербурга. Для этого РЖД собираются использовать свой опыт в построении системы коммуникаций и применения технологий искусственного интеллекта.
Первая версия проекта «дорожной карты» РЖД гласила, что российский рынок квантовых коммуникаций вырастет как минимум до 55 млрд руб. к 2024 г. По прогнозам компании, к этому времени он должен занять около 8% глобального рынка квантовых сетей.
Следует отметить, что в проекте «дорожной карты» в январе 2020 г. говорилось о наращивании суммарной протяженности российских квантовых сетей до 10 тыс. км. к 2024 г. Спустя полтора года Дмитрий Чернышенко озвучил прогнозы о протяженности 7000 км. С чем связано понижение ожиданий, остается неизвестным.
Квантовый Интернет: конкуренция за создание нерушимого онлайн-мира
Развитие сверхзащищенного квантового Интернета идет полным ходом. Он может коренным образом изменить роль информации в нашей жизни и создать всемирный квантовый суперкомпьютер.
Многие из наших сфер жизни идут онлайн. Банки, рабочая почта, социальные сети, анкеты знакомств, медицинские записи – все это жизненно важная и конфиденциальная информация. Так что тот факт, что в Интернете есть фатальная брешь в безопасности, совсем не радует.
Это способствует развитию нового, более безопасного Интернета с квантовой защитой. Эта система сможет сделать гораздо больше, чем просто защитить ваши данные. Она предоставит квантовые программы и может стать скелетом квантового компьютера невообразимой мощности по всему миру.
Развитие квантового Интернета – это огромная и многогранная инженерная задача, ее основы уже закладываются. Волоконно-оптические сети расширяются. Исследователи тайно болтают в локальных сетях. Планируется даже использовать небольшие спутники для квантовой связи на большие расстояния. Рано или поздно мы все сможем присоединиться к квантовой информационной супермагистрали.
Человеческая культура и промышленность издавна основывались на информации. Получение правильной информации, ее понимание и обмен дает нам силу и прибыль. Развитие Интернета утвердило роль информации, и мы только начинаем ощущать ее влияние.
В обычных компьютерах используются цифровые единицы – биты. Это объем информации, который поступает, например, в результате подбрасывания монеты, и обычно обозначается как 1 или 0. Все электронные письма, обновления статуса или фотографии на вашем телефоне состоят из битов.
Работа с кубитами
С точки зрения квантового мира такой метод очень ограничен, потому что здесь, как известно, частицы ведут себя очень странно. Атом, электрон или фотон могут находиться в состоянии, в котором его свойства не определены. Например, частицы могут иметь одновременно две энергии. Эти квантовые состояния чрезвычайно хрупкие, но, научившись ими манипулировать, частицы можно использовать для хранения единицы квантовой информации – кубита, который кодирует не только 0 либо 1, но и любую комбинацию 0 или 1.
Увеличивая нашу способность делать это, мы уже разработали впечатляющие технологии, такие как сверхчувствительные датчики силы тяжести и магнитного поля. Физики уже могут управлять десятками кубитов одновременно и разрабатывают прототипы квантовых компьютеров. По мере роста они обещают превзойти любые классические компьютеры, которые когда-либо могли быть созданы – по крайней мере, для определенных типов вычислений. Среди прочего, квантовые компьютеры должны уметь моделировать химические реакции, разрабатывать новые лекарства и современные материалы, а также решать запутанные инженерные и логистические проблемы. Их полный потенциал пока не известен.
Но мы знаем одно – с появлением этих невероятных машин нам понадобится квантовый Интернет, потому что именно квантовые компьютеры угрожают нашей безопасности. Большинство схем шифрования, обеспечивающих безопасность подключения к Интернету, основаны на математических задачах, которые было бы непрактично решить с помощью классических компьютеров, таких как факторизация больших простых чисел. Но достаточно большой квантовый компьютер, использующий алгоритм, разработанный в 1994 году математиком Массачусетского технологического института Питером Шором, справился бы с такой задачей. Это подорвет безопасность всего, что связано с подключением к Интернету, от электронной почты до электросетей.
Столь опасно мощную квантовую машину, вероятно, можно будет ожидать не раньше, чем через 10-20 лет, но актуальность проблемы от этого не меньше. Изменение системы шифрования занимает много времени, и данные, которые вы сейчас отправляете, могут быть перехвачены, сохранены и дешифрованы, когда появятся достаточно мощные квантовые компьютеры.
Сиддхарт Джоши и другие хотят отбивать кубиты кубитами. При использовании квантовых состояний отдельных частиц для связи отправленные сообщения не могут быть украдены, потому что сам мониторинг сигнала изменяет чувствительные состояния. Это не заменит Интернет, а лишь дополнит уровень квантовой связи в нем, позволяющий пользователям обмениваться секретными ключами шифрования. Интернет-трафик будет продолжать передаваться по кабелям, как сейчас, и эти ключи будут зашифрованы и декодированы.
Такое квантовое шифрование, называемое квантовым распределением ключей (QKD), было продемонстрировано несколько раз за последние несколько десятилетий. Первый QKD банковский перевод был сделан в 2004 году. Существует множество различных схем, но одна из самых безопасных основана на явлении квантового связывания. Первоначально двум кубитам дается общее квантовое состояние, которое при правильном измерении предсказуемо изменяет результат измерения пары частиц, где бы эти две частицы ни находились. Предположим, эти два кубита – фотоны. Одна из парных пар с оптическим кабелем может быть заменена на безопасный ключ.
Связи, в которых используется гораздо больше связанных кубитов, можно было бы использовать еще более впечатляюще, скажем, для отправки сообщений в чисто квантовой форме. В краткосрочной перспективе возможности квантовых вычислений, вероятно, будут скромными и будут находиться далеко от, скажем, университетов или исследовательских центров. Но квантовые коммуникационные соединения могут соединить их всех с квантовым суперкомпьютером. Кроме того, пользователи смогут запускать программы на квантовых компьютерах таким образом, чтобы гарантировать их безопасность и не позволить шпионить за владельцами компьютеров. Это называется слепыми квантовыми вычислениями, поэтому любой может использовать квантовые компьютеры, не опасаясь утечки конфиденциальных данных.
Шепот бриллиантов
Зерно приближающегося квантового Интернета было посеяно в лаборатории в Делфте, Нидерланды. Там три маленьких ромба шепчутся друг с другом, образуя миниатюрный, но полностью функциональный прототип сети взаимосвязанных связей. Есть дефект в решетке атомов углерода каждого алмаза, в котором расположен один атом азота. Оттуда пара электронов может испустить связанный с ними фотон. Кроме того, каждый алмаз содержит один кубит квантовой памяти, что позволяет выполнять базовую обработку квантовой информации.
В статье, опубликованной Рональдом Хэнсоном и его командой из исследовательского института QuTech в Делфте, продемонстрировали объединение трех алмазов в сеть и передачу квантовой информации между ними. В принципе, эта технология может быть расширена, а возможность подключения может быть распределена между любым количеством узлов.
Необязательно использовать бриллианты. Другие группы изучают другие способы создания и объединения кубитов. В Бристоле группа Джоши продемонстрировала способность распределять квантовые ключи среди восьми пользователей на расстоянии нескольких километров друг от друга, и все связанные фотоны были получены от одного и того же лазера. По словам Джоши, можно будет расширить зону покрытия в городе до нескольких сотен человек.
Пока что он продемонстрировал QKD и некоторые аналогичные протоколы, но уверяет, что с использованием более сложных модулей приема связанных фотонов сеть может поддерживать, среди прочего, слепые квантовые вычисления.
Есть ряд других, пока еще не развернутых квантовых сетей, таких как Токио (Япония), Калгари (Канада) и Лос-Аламос (Нью-Мексико). У них в основном всего два или три узла, и они ограничены QKD. Однако их радиус действия увеличивается, и некоторые из них достигают более 100 километров. Все мечтают расширить их и соединить миллионы пользователей по всему миру, предоставив сверхзащищенные пути шифрования в разные страны на всех континентах.
Чтобы расширить охват QKD, можно было бы полагаться на доверенные узлы, устройства, которые передают сообщение, сначала расшифровывая его и шифруя для пересылки в другой оптоволоконный сегмент. Китай уже построил впечатляющую сеть, магистраль протяженностью 2000 километров с 32 надежными узлами между Пекином и Шанхаем и сотнями соединений. Задача решена? Не совсем. Каждый узел представляет угрозу утечки сообщений. Более того, он не подходит для слепых квантовых вычислений, например, потому что исходная квантовая информация в каждом узле исчезает.
Устройство, называемое квантовым ретранслятором, необходимо для передачи квантовой информации повсюду. Представьте себе двух пользователей – Колю и Петю, которые хотят поговорить. Каждый из них создает пару связанных кубитов и отправляет одну из своих пар через квантовый повторитель посередине между ними. Повторитель одновременно выполняет определенные измерения состояний двух полученных кубитов, чтобы объединить их. Согласно правилам квантовой физики, он соединяет два кубита, оставленные Колей и Петей – процесс, называемый обменом связями. Выстраивая квантовые повторители, связанные кубиты могут быть намного дальше друг от друга.
О, если бы у нас был квантовые ретрансляторы. Он были в списке желаний ученых много лет, но оказалось очень сложно их создать. Но в Университете Стоуни-Брук в Нью-Йорке Иден Фигероа и его группа берутся за решение этой головоломки. Важным компонентом этого устройства является так называемая квантовая память ввода и вывода, которая может захватывать летающий кубит и удерживать его до тех пор, пока он не понадобится для одновременного измерения. Квантовая память Фигероа основана на облаке атомов, которые могут проделывать такой трюк с фотоном. Это устройство также должно регистрировать захват фотонов, не нарушая чувствительного квантового состояния частицы. В прошлом году Фигероа и его коллеги показали, что они могут сделать это, послав еще один фотон, который очень слабо взаимодействует с защищенным фотоном.
В 2017 году Micius зашифровал видеоконференцсвязь между Пекином и Веной, используя определенную версию QKD с высокой пропускной способностью, но сам спутник действует как надежный узел. Для некоторых пользователей это подойдет, например, правительствам или корпорациям, которые могут позволить себе использовать свои собственные спутники, но это не гарантирует безопасность для всех пользователей будущего широко подключенного квантового Интернета. Затем, в 2019 году, Micius использовался для создания связи между двумя наземными станциями в Китае, расположенными на расстоянии 1200 километров друг от друга, Nanshan и Delingha, путем перераспределения каждой пары связанных фотонов и отправки по одному на каждую станцию. Эта форма QKD чрезвычайно безопасна. Даже если спутник будет взломан, перехватить ключ не удастся.
Обратной стороной является то, что он работает медленно. Стороны могут использовать парную пару фотонов только тогда, когда они достигаются обоими фотонами, и при любой спутниковой связи большая часть света теряется, потому что фотоны не попадают в приемник или поглощаются атмосферой. Наземные станции Китая расположены высоко и используют в качестве приемников большие телескопы, а спутник генерирует около 6 миллионов пар связанных фотонов в секунду. Но даже в этом случае секретный ключ генерировался со скоростью лишь доли бит в секунду. Цзянь-Вэй Пан из Китайского университета науки и технологий Хэфэй, который работает с Micius, говорит, что теперь он работает над увеличением скорости с помощью некоторых улучшений, в том числе более ярких связанных источников света.
Квантовая сборка
Чтобы объединить все это оборудование в глобальную квантовую сеть, нам понадобится программное обеспечение, которое мы можем использовать в классическом Интернете. Теперь данные передаются по нескольким сетям на уровне программного обеспечения, поэтому обычному пользователю не нужно об этом беспокоиться. Стефани Венер из QuTech – одна из создательниц квантовой сети. И самое интересное – гаджеты. Мы до сих пор не знаем, что они смогут сделать. Новые виды игр? Новые формы общения?
Когда эти необычные технологии окружают мир, мы можем сначала даже не заметить. Их влияние должно быть в основном при отсутствии проблем: мы не потеряем свои банковские счета, выборы не будут взломаны, свет не погаснет. В конечном итоге будет более ощутимая польза, особенно для науки. Благодаря каналам квантовых данных телескопы могли бы обмениваться информацией без каких-либо задержек, а астрономы могли получить более четкое изображение Вселенной. Они могли более точно синхронизировать атомные часы и, таким образом, повысить чувствительность детекторов гравитационных волн. Не говоря уже о соединении квантовых компьютеров, увеличивая их мощность.
Возможно, эта новая форма Интернета сделает мир безопаснее, а может и более опасным.
Да, действительно, квантовый интернет может стать нашим ближайшим будущим, а в настоящее время мы наблюдаем всплеск развития IT-индустрии и дефицит специалистов. Если прямо сейчас вы решаете какую профессию освоить и выбираете подходящий курс, предлагаем ознакомиться со специальным предложением от OTUS. До конца месяца у нас действует скидка на все курсы.
Бизнес на квантах: как квантовые технологии применяют уже сейчас
Технологии, основанные на принципах квантовой механики, уже применяют для разработки решений, которые выведут инновации на новый — квантовый — уровень. Расскажем, как кванты выходят из лабораторий и становятся частью цифровой экономики.
В ХХ веке первая квантовая революция подарила миру транзисторы, лазеры, интегральные схемы и мобильную связь. Вторая волна практического применения квантовых технологий уже близко и включает несколько направлений. Перспективными для бизнеса могут быть три: квантовые вычисления (компьютеры), защищенные квантовые коммуникации и квантовые сенсоры.
Квантовые вычисления: грядет эпоха квантовых компьютеров
Что это. Если не вдаваться в научные подробности, квантовый компьютер — устройство, работа которого базируется на преобразовании квантовых состояний индивидуальных частиц с последующим измерением результата. Для решения задач он применяет не классические алгоритмы, а квантовые.
Зачем нужны. В перспективе квантовые компьютеры способны решать сложнейшие вычислительные задачи, которые обычные компьютеры решают медленно — десятки и сотни лет, например:
В будущем квантовые вычисления будут применять в самых разных сферах — везде, где обычные компьютеры будут работать медленнее и выдавать больше ошибок. Например, для управления движением транспортных средств (воздушных, морских, наземных), прогнозирования погоды, предупреждения чрезвычайных ситуаций, в оборонной, горнодобывающей и автомобильной промышленности, медицине и других отраслях.
Что уже разработано. Большинство созданных к 2019 году систем далеки от тех впечатляющих возможностей, которые заявлены для квантовых компьютеров, и могут решать только ограниченный круг задач. Поэтому их называют квантовыми симуляторами, или адиабатическими компьютерами.
Примером квантовых симуляторов являются устройства канадской компании D-wave Systems. В линейке устройств D-wave Systems есть системы мощностью от 16 до 2 000 кубит, также было анонсировано 5000-кубитное устройство. В исследовательских целях такие компьютеры уже закупили NASA, Volkswagen, научно-исследовательская лаборатория в Лос-Аламосе, Google и Lockheed Martin.
Универсальные компьютеры, подходящие для решения различных задач (их можно считать «настоящими» квантовыми компьютерами), разработала компания IBM. В 2019 году она обновила свою коммерческую квантовую вычислительную систему, увеличив ее производительность в два раза: до 53 кубитов, тогда как старые модели были построены на 20 кубитах. Эта квантовая система модернизирована для работы в облачной среде. Однако даже после этого рано считать, что квантовые компьютеры уже вот-вот заменят обычные — пока они слабее традиционных.
В октябре 2019 года о достижении квантового превосходства заявила Google. По результатам исследования, их 54-кубитная система Sycamore за 200 секунд решила задачу, на которую у самого быстрого суперкомпьютера ушло бы 10 000 лет. В IBM к заявлению отнеслись скептически: там считают, что классический компьютер мог выполнить эти вычисления за 2,5 дня, и был бы точнее.
Нужно отметить, что сам предмет обсуждения — эффективность квантового компьютера — пока находится в стадии дискуссии, хотя нельзя отрицать значительных успехов компании Google в развитии технологий квантовых вычислений.
Квантовые коммуникации: защищенная передача информации
Что это. Квантовые коммуникационные сети подразумевают передачу квантовой информации между двумя удаленными в пространстве квантовыми системами способом, защищенным от злоумышленников. И ученые в этой области добились больших успехов, чем в разработке универсального квантового компьютера.
Главное преимущество защиты данных в квантовых коммуникационных сетях базируется на способе получения секретного ключа, секретность которого основана на неделимости кванта и невозможности скопировать квантовое состояние, то есть на законах квантовой физики.
Ключ не передается в непосредственном виде, подобно тому, как передается классическая информация. Секретный квантовый ключ образуется у двух пользователей в процессе передачи и измерения квантовых состояний, например, с помощью поляризованных фотонов.
Зачем нужны. Интерес к квантовым коммуникациям отчасти связан с развитием big data — все эти большие данные нужно обрабатывать и передавать с высокой скоростью и защищенным способом. По прогнозам IDC, к 2020 году почти 40% данных будут обрабатываться с использованием облачных сервисов. Это существенно увеличит потребность в квантовых коммуникациях и шифровании, поскольку значительное количество передаваемых в облако данных должно быть защищено.
Квантовая криптография может применяться для защиты данных в коммуникационных сетях различного назначения, включая спутниковые каналы передачи данных. Большие перспективы откроет появление устройств квантовой криптографии на рынке для владельцев ЦОД, банков, телекоммуникационных компаний, интернет провайдеров. Для этих отраслей они будут особенно удобны, ведь новые ключи будут генерироваться в автоматическим режиме, что значительно повысит уровень защищенности данных от взлома.
Что уже разработано. Передавать информацию «квантовым» способом получается с помощью коммуникационных сетей, которыми уже располагают некоторые страны. Например, в Китае построена квантовая коммуникационная сеть Пекин-Шанхай протяженностью 2000 км, ее расширяют, прокладывая аналогичные линии между другими городами. Для передачи информации используют протоны, которые невозможно разделить, их квантовое состояние нельзя клонировать. Таким образом, нет никакой возможности прослушивать линию.
Проблема использования таких сетей в том, что фотоны могут поглощаться атмосферой или материалами, из которых изготовлены кабели, поэтому обычно они не перемещаются на расстояние более пары десятков километров, максимальная дальность передачи на эксплуатируемых телекоммуникационных сетях — около 100 км. На линии приходится строить узлы, где сигналы расшифровываются и снова зашифровываются перед отправкой дальше. К примеру, на линии Пекин-Шанхай таких узлов 32.
Поэтому ученые пытаются использовать для передачи данных квантовую запутанность — феномен, при котором две частицы настолько взаимосвязаны, что по одной можно понять состояние другой, вне зависимости от того, какое расстояние их разделяет.
В 2017 году китайский спутник «Мо-цзы» побил рекорд дальности квантовой запутанности, передав информацию на 1200 км, а в 2018 году во время эксперимента был передан квантовый ключ шифрования между обсерваториями в столицах КНР и Австрии. Технология квантовой запутанности пока относится к экспериментальным.
Над квантовыми коммуникационными сетями и системами передачи ключей работают не только в Китае, но и в Европе, и в России. В декабре 2017 года Сбербанк и РКЦ запустили квантовую сеть протяженностью 25 км. То, как она работает, можно было увидеть на Петербургском международном экономическом форуме, где провели видеоконференцию между руководителями Сбербанка, Газпромбанка и компании PwC Russia.
В сентябре 2019 года Казанский квантовый центр, «Ростелеком» и «Таттелеком» успешно провели эксперимент по распределению квантовых ключей на волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) протяженностью 143 километра. В этом эксперименте использовался криогенный однофотонный детектор российского производителя СКОНТЕЛ и система квантового распределения ключей университета ИТМО.
Квантовое шифрование можно применять для любых видов связи. Например, специалистами компании «ИнфоТеКС» и Центра квантовых технологий МГУ разработан телефон с квантовым шифрованием. Он шифрует голосовой трафик между собеседниками так, что получить к нему доступ невозможно.
Важно не забывать, что квантовая криптография имеет прямое отношение к защите информации, а потому должна проектироваться и проверяться на соответствие характеристикам, заявленным производителями. Проверку должны проводить регуляторы, имеющие квалификацию и соответствующие методики. Иначе может получиться так, как было с ранними системами ID Quantique, которые удалось взломать группе энтузиастов.
Квантовые сенсоры: миниатюрные и чувствительные датчики
Что это. Квантовые сенсоры — высокочувствительные приборы, основанные на регистрации индивидуальных квантовых эффектов, то есть квантовых эффектов, касающихся отдельных квантовых систем. Примерами таких сенсоров будут лавинный однофотонный детектор и квантовый датчик случайных чисел.
На практике давно используют коллективные квантовые эффекты, которые основаны на участии в них большого числа квантовых объектов: электронов, атомных ядер, нейтронов, фотонов и других. Именно на их основе работают транзисторы, диоды и микросхемы, так мы получаем действие, осязаемое на макроскопическом уровне, например, видим луч лазера или регистрируем ток в полупроводниках компьютера. Разработать приборы, которые улавливают изменения в отдельных квантовых системах на уровне микромира, намного сложнее.
Зачем нужны. Квантовые сенсоры невероятно миниатюрные и чувствительные. Большие перспективы ждут их в медицине и биологии: анализ генома, диагностика заболеваний, в том числе онкологических, исследование процессов, происходящих в теле человека, внутренних органов, тканей, клеток и молекул.
Кроме того, высокочувствительные датчики нового поколения будут применять и в других областях: навигация (космическая отрасль, беспилотный транспорт), оборона и безопасность, геологоразведочные работы, нефтедобыча и строительство, технологии интернета вещей.
Что уже разработано. Интересную разработку создали ученые США, Канады и Германии. Исследователи реализовали квантовый гравиметр, который поможет в поиске нефти и других полезных ископаемых. Устройства с ним смогут обнаружить пустоты под землей, что сделает работу в шахтах безопаснее.
Другим примером коммерциализации этих приборов служит счетчик фотонов, разработанный под руководством Григория Гольцмана, профессора Московского педагогического государственного университета (МПГУ) и сооснователя компании СКОНТЕЛ. Его использует РКЦ для своих разработок в сфере квантовой криптографии.
Особенность применяемой системы квантовой криптографии в том, что сигнал кодируется на одиночных фотонах, когда один бит записывается на один фотон. Детекторы очень чувствительны, они с высокой вероятностью показывают, когда фотон есть, и не показывают шум, когда фотона нет.
Квантовые сенсоры могут использоваться в системах квантовой криптографии для обеспечения случайности квантовых ключей. Например, квантовый генератор случайных чисел, который создали физики МГУ в 2017 году. Он работает с высокой производительностью и обеспечивает непредсказуемость ключей, гарантированную законами квантовой механики.