Квантовые коммуникации что это
Азбука квантовых коммуникаций: 28 терминов, которые помогут разобраться в технологии
Из-за большой вероятности кибератак на объекты с критической инфраструктурой государства готовы вкладывать деньги в защиту критических коммуникаций. В свою очередь, именно квантовые коммуникации воспринимаются как нечто бескомпромиссное и действительно защищенное. Специально для «Хайтека» Юрий Курочкин, технический директор QRate, разобрал основные термины и явления из области квантовых коммуникаций.
Читайте «Хайтек» в
Аутентификация — определение субъекта передачи информации по принципу «свой — чужой». Классическая аутентификация с открытым ключом подвержена атакам с квантовым компьютером. Квантовые ключи обеспечивают защиту от атак с любой вычислительной мощностью. Реальное знание пароля и есть аутентификация, основная задача которой — убедить собеседника в собственной личности.
Блокчейн, квантово-защищенный — непрерывная цепочка блоков информации, использующая квантовую или постквантовую криптографию (или комбинирущая их). Такой вид блокчейна позволяет сделать подписи и консенсус устойчивыми ко взлому со стороны квантового компьютера. Первыми в мире квантово-защищенный блокчейн разработали ученые из Российского квантового центра и QRate.
Волоконно-оптическая линия связи — это вид системы передачи данных, при котором информация передается по оптическому волокну. Оптоволоконная связь имеет ряд преимуществ по сравнению с другими способами передачи информации: она позволяет передавать данные на большие расстояния без использования усилителей, а скорость передачи настолько высока, что остается недостижимой для других систем связи. Широко используется в телекоммуникационных сетях разных уровней, а также в промышленности, энергетике, медицине, системах безопасности и других областях.
Генератор случайных чисел, квантовый — один из основных компонентов системы квантового распределения ключей, который используется для формирования криптографического ключа. В отличие от математического и аппаратного генераторов случайных чисел, квантовый — истинно случаен, а значит, устойчив к атакам квантового компьютера. Помимо квантового распределения ключей, квантовый генератор случайных чисел может использоваться в инженерных расчетах и финансовом моделировании (метод Монте-Карло), азартных играх, а также для ускорения машинного обучения.
Методы Монте-Карло — группа численных методов для изучения случайных процессов. Процесс в этом методе описывается математической моделью с использованием генератора случайных величин, модель многократно обсчитывается, а на основе полученных данных вычисляются вероятностные характеристики рассматриваемого процесса.
Дорожная карта по квантовым коммуникациям — документ, утвержденный Правительственной комиссией по цифровому развитию РФ в сентябре 2020 года, он описывает пошаговое развитие квантовых коммуникаций в стране до 2024 года. В рамках дорожной карты планируется создание интернета вещей на базе квантовых вычислений и внедрение магистральных квантовых сетей для безопасной передачи данных. Технология предполагает квантовое распределение ключей шифрования при передаче данных по волоконно-оптической связи. Одним из первых пилотных проектов стало строительство магистральной квантовой сети «Москва — Санкт-Петербург» протяженностью около 800 км. За реализацию дорожной карты отвечает ОАО «РЖД» совместно с ведущими экспертами и научными организациями.
E91 — протокол квантового распределения ключей с помощью квантовой запутанности. Был предложен Артуром Экертом в 1991 году. Играет большое значение при доказательстве секретности квантовых коммуникаций. Прототип системы квантовой криптографии на основе этого протокола был сделан в Сингапурском центре квантовых технологий CQT.
Жиль Брассар — канадский физик-теоретик, который в 1984 году совместно с Чарльзом Х. Беннеттом разработал первый в мире протокол квантового распределения ключей, названный в их честь, Bennett-Brassard 1984 (BB84). Помимо этого, Жиль Брассар — автор большого количества работ по квантовой телепортации, квантовой запутанности и квантовой криптографии. Сейчас только этот протокол в модификации Decoy-state BB84 имеет полное доказательство от наиболее общих атак, не только индивидуальных, но и коллективных.
« Звезда » — топология сети квантового распределения ключей, берет истоки в сфере больших электронно-вычислительных машин, где головной компьютер, выполняющий функции сервера, получает и обрабатывает всю информацию с периферийных устройств. По сравнению с другими топологиями, «Звезда» является наиболее дешевой во внедрении. Однако есть и недостатки, например, нарушение связи при выходе из строя сервера.
Интернет, квантовый — сеть, соединяющая квантовые компьютеры и другие устройства, использующие квантовые технологии. В отличие от традиционного интернета, квантовый использует данные, закодированные в кубитах. Они же способны удерживать два состояния одновременно, за счет чего достигается максимальная защита пользовательской информации.
Криптография, квантовая — метод защиты коммуникаций, основанный на принципах квантовой физики. В отличие от традиционной криптографии, использующей математические методы, здесь данные переносятся с помощью кубитов. Ее реализуют при помощи фотонов в оптоволоконных линиях или по воздушному пространству.
Линия квантовой связи — это совокупность методов для передачи информации в квантовых состояниях из одной точки в другую. В 2016 году в России провели первую в стране городскую линию квантовой связи протяженностью около 30 км, которая соединила два отделения «Газпромбанка» в Москве. Позже, летом 2021 года, запустилась вторая линия квантовой связи между Москвой и Санкт-Петербургом протяженностью 700 км, став самой крупной в Европе и второй по величине в мире.
Миниатюризация — современный тренд, заключающийся в создании устройств уменьшенного размера и массы. Она применима во всех направлениях квантовых технологий. В частности, уменьшить размер квантового компьютера позволит новая технология электронного охлаждения, которая заменит смеси криогенных жидкостей. В коммуникациях уменьшение устройства для квантового распределения ключей позволит сократить стоимость устройства в 10–15 раз.
Нелокальность — возможность мгновенной корреляции (взаимосвязи) одной системы или частицы к другой со скоростью, превосходящей скорость света. На основании данного явления возможно реализовать квантовую телепортацию, когда передача двух бит информации может очень точно передать кубит, требующий для своего описания гораздо больше информации.
Оптический сигнал — оптическое излучение, один или несколько параметров которого изменяются в соответствии с передаваемой информацией.
Протокол квантовых коммуникаций — свод правил, по которым осуществляется приготовление и измерение квантовых состояний света. Первый в мире протокол квантовой криптографии разработали ученые Чарльз Беннетт и Жиль Брассар в 1984 году.
Распределение ключей, квантовое — метод передачи ключа, в основе которого лежит процесс коммуникации двух сторон. Он основан на создании общего случайного ключа, который известен только двум сторонам, соединенным по открытому каналу связи. Отправитель шифрует данные, кодируя их в состояния фотонов — кубиты, и передает получателю, который, в свою очередь, декодирует полученную информацию. Квантовое распределение ключей позволяет легко обнаружить, были ли передаваемые данные скомпрометированы или имела ли место попытка взлома передаваемой информации.
Скорость генерации ключа — количество бит секретного ключа, генерируемая за одну секунду. Это основной параметр квантового распределения ключей. Скорость влияет на количество генерируемых ключей и на то, насколько эффективно ключи используются. В идеале количество бит ключа должно быть равно количеству бит сообщения — одноразовый блокнот. Но так как скорость генерации ключей — десятки бит в секунду, то используется компромиссная схема, например, один 256-битный ключ на несколько гигабайт информации. Российские системы квантового распределения ключей находятся в тройке мировых лидеров по скорости генерации ключей. На первом месте Toshiba — 300 кбит/с, на втором — QuantumCtek с 80 кбит/с и на третьем — отечественная компания QRate с 50 кбит/с. Далее идет idQuantique со скоростью 3 кбит/с.
Телепортация, квантовая — это передача квантового состояния на какое-либо расстояние при помощи двух составляющих: разделенной в пространстве запутанной пары и классического канала связи. Квантовое состояние разрушается в точке отправления при проведении измерения и воссоздается обратно в точке приема. При этом информация не передается быстрее скорости света, так как надо передать на сторону получателя два бита информации о результате измерения, но при этом можно передать квантовое состояние, для точного описания которого потребовался бы значительно больший объем информации. Еще одним примечательным свойством является то, что при телепортации само квантовое состояние остается неизвестным для того, кто проводит протокол телепортации.
Узлы доверенного приема-передачи. Для квантовых сетей более 100 км необходимо строить промежуточные доверенные узлы приема-передачи. В этих узлах производятся измерения фотонов, получение квантового ключа и дальнейшая его передача с помощью квантового ключа, сгенерированного на следующем пролете сети. Так как узел принимает квантовые ключи, он должен быть защищен от действий злоумышленника. Например в Китае построена сеть «Пекин — Шанхай», содержащая 32 промежуточных доверенных узла. В перспективе возможно сделать узлы полностью квантовыми, не требующими доверия, но для этого потребуется квантовый повторитель, устройство комбинирующее квантовую телепортацию и квантовую память, чтобы сохранять успешные попытки телепортации от узла к узлу.
Фотон — это частица света, самая распространенная элементарная частица во Вселенной. Фотоны можно представить как воздушные шары, наполненных водой. Волны на поверхности воды несут информацию, а получить эту информацию можно, лишь продырявив шар, то есть уничтожив фотон. Если на единичный фотон записать бит информации и отправить его получателю, по пути никто не сможет его незаметно прочитать — это гарантируется законами физики.
Хранение данных, распределенное — уровень защиты информации. Если вы разделите информацию между пятью узлами, и кто-то получит доступ меньше, чем к половине, например, к двум узлам, то он не сможет ничего восстановить из вашей информации. Но если у вас будет доступ к трём узлам, то вы сможете восстановить полную информацию, даже если два других окажутся уничтожены, например, сгорят в пожаре. Таким образом, с помощью квантовых коммуникаций можно решить задачи не только защиты передачи, но и защиты хранения.
Цайлингер, Антон — австрийский физик, известный работами в области квантовой информации и впервые осуществивший квантовую телепортацию с использованием фотонов. В 2010 году Цайлингер совместно с Джоном Клаузером и Аленом Аспе стали лауреатами премии Вольфа по физике «За фундаментальный концептуальный и экспериментальный вклад в основы квантовой физики, в частности за серию возрастающих по сложности проверок неравенств Белла с использованием запутанных квантовых состояний».
Частота фотона — его спектральная характеристика. Очень важна при определении, через какую среду отправлять фотон и как его детектировать. В случае оптоволокна наилучшая частота является примерно 190 терагерц, что соответствует длине волны в 1 550 нм. Для детектирования такого фотона используются детекторы на основе Арсенида Галлия. Для атмосферы обычно используют вдвое меньшую частоту, так как, помимо окна прозрачности, для этой частоты подходят более эффективные кремниевые детекторы.
Шифратор, квантово-криптографический осуществляет действия по высокоскоростному шифрованию, передаче и приему информации, а также поддерживает функцию получения квантовых ключей от системы квантового распределения ключей.
Энтропия — определяет уровень хаоса, а также является мерой количества информации. В теории информации вводится также понятие взаимной энтропии между двумя участниками коммуникации, которая используется для расчета энтропии взаимосвязанных систем (энтропии совместного появления статистически зависимых сообщений). Понятие энтропии широко используется при анализе передачи данных, в том числе доказательстве секретности квантового распределения ключей.
Юстировка оптики — процесс настройки оптической схемы. Важнейший параметр любого оптического прибора, особенно квантовой криптографии, которая очень чувствительна к настройке интерферометров и/или поляризационно зависимых элементов.
Яркость источника одиночных фотонов — вероятность того, что триггерный импульс, посылаемый на источник одиночных фотонов, приведет к появлению одиночного фотона. Скорость генерации одиночных фотонов можно определить как произведение яркости на частоту следования импульсов накачки.
Квантовые коммуникации: что это и зачем они РЖД?
Как сообщает официальный сайт главы государства, были подписаны о намерениях между правительством и ПАО «Сбербанк» (направление «Искусственный интеллект»), ОАО «РЖД» (направление «Квантовые коммуникации»), госкорпорацией по атомной энергии «Росатом» (направления «Квантовые вычисления» и «Технологии создания новых материалов и веществ»), госкорпорацией «Ростех» (направления «Квантовые сенсоры», «Технологии распределенного реестра», «Новые поколения узкополосной беспроводной связи для интернета вещей и связи ближнего и среднего радиусов действия»), а также трехстороннее соглашение с госкорпорацией «Ростех» и ПАО «Ростелеком» по направлению «Беспроводная связь нового поколения».
Что касается РЖД, соглашение о намерениях в целях развития в РФ высокотехнологичной области квантовых коммуникаций подписали заместитель председателя правительства РФ Максим Акимов и генеральный директор – председатель правления ОАО «РЖД» Олег Белозеров.
О чем именно это соглашение?
В самой компании отмечают, что предметом соглашения является объединение и координация совместных действий правительства и ОАО «РЖД» для ускорения технологического развития и достижения РФ позиции одного из лидеров на глобальных технологических рынках в области квантовых коммуникаций.
В частности, сообщается, что будет разработана дорожная карта развития технологической области квантовых коммуникаций. Она предусматривает формирование научно-технологической и производственной инфраструктуры, продвижение продукции мирового уровня, в том числе на базе соответствующих отечественных технологий, и подготовку квалифицированных кадров.
Что такое квантовые коммуникации и как они смогут быть применены непосредственно на объектах РЖД и в работе компании, в монополии не комментируют. Для справки: базовая IT-инфраструктура компании включает свыше 70 тыс. км магистральных волоконно-оптических линий связи.
Что такое квантовые коммуникации?
Профессор, заведующий базовой кафедрой квантовой оптики и телекоммуникаций ООО «Сконтел» Московского института электроники и математики в НИУ ВШЭ, заведующий кафедрой физики в Московском государственном педагогическом университете Григорий Гольцман отмечает: до сих пор железная дорога не была включена в эти технологии.
Он объясняет: квантовые коммуникации относятся к безопасной передаче сообщений и информации на большие расстояния.
«В процессе передачи информации, если она не закодирована достаточно глубоко, ее могут скрытно перехватить. Важный момент: посылающие и принимающие информацию должны сразу же узнать о том, что произошел перехват, тогда это неопасно. Передача зашифрованной информации – это очень старая проблема. Но квантовая защита передаваемой информации – относительно новая технология, которая развивается сейчас очень интенсивно», – говорит он.
Шифрование информации происходит с помощью секретного шифровального ключа. Если его кто-то украдет, можно будет передавать ложные сообщения.
Ключ обычно основан на математике. То есть для того, чтобы его расшифровать, необходимо произвести большое количество операций. Сейчас скорость расшифровки ключа становится все быстрее и быстрее. Информация передается большими объемами в битах. Если это квантовые технологии, то тогда это квантовый бит – кубит. Такой кубит может быть в фотонах – частицах света.
По квантовым законам, любая квантовая частица может находиться в каком-то состоянии, но если пытаться обнаружить, измерить и попытаться узнать это состояние, это неминуемо состояние изменится. И тот, кто принимает информацию, сразу узнает о том, что информацию пытались хакнуть.
Шифровальный ключ может передаваться в состоянии квантовых частиц. Эта передача в фотонах происходит со скоростью света. Соответственно, если хакер что-то пытается сделать с этой информацией, получатель узнает об этом со скоростью света.
Передача квантового ключа обычно осуществляется через оптическое волокно, которое уже проложено в большом количестве мест.
«Другой способ передачи ключа – при помощи спутника, когда из одной точки на земле на спутник идет оптический ключ, отражается от зеркала на спутнике и попадает в другую точку на земле. Другими словами, квантовый ключ передается на большое расстояние. Такая система реализована пока только в Китае. Эти шифровальные ключи, к примеру, используются для того, чтобы из одного банка в другой, расположенный далеко от первого, передать секретную информацию о финансах», – комментирует Г. Гольцман.
В разговоре о железной дороге профессор говорит о железнодорожном составе, который в этом смысле аналогичен спутнику. Состав движется, проходит мимо станции с большой скоростью, не останавливается. За это время получает квантовый ключ или много ключей – и на станции, и по дороге. Передать информацию лучом света другому потребителю. Такую технологию пока никто не сделал, но это представляется возможным, говорит он.
На вопрос, насколько эти технологии затратны, Г. Гольцман обращает внимание на то, что сейчас все находится в стадии разработки учеными-инженерами, поэтому и затраты идут только на разработки.
– Григорий Наумович, другими словами, с применением этих квантовых коммуникаций должна повыситься безопасность передачи информации на железной дороге?
– Да. Параллельно с развитием квантовых коммуникаций и передачей квантового ключа происходит разработка квантовых компьютеров. Тогда они будут гораздо более эффективны в расшифровке зашифрованных посланий. Это будет соревнование – между теми, кто шифрует, и теми, кто пытается скрытно получить ключи и что-то украсть.
– В планах РЖД – разработка дорожной карты развития технологической области квантовых коммуникаций. По Вашему мнению, насколько этот документ необходим?
– Я прочел за последние 15 лет несколько десятков дорожных карт в этом направлении. Но не вижу, чтобы это влияло на развитие технологий. Мне кажется, что деньги не очень следуют за дорожной картой.
– В целом как давно развиваются квантовые коммуникации?
– Бурный рост происходит последнее время. Но сама идея, наверно, появилась лет 40 назад. Но, как известно, идеи принимаются в реализацию не сразу. Поэтому первая система передачи квантового ключа была создана в США, в районе Бостона. Наша компания «Сконтел» там тоже участвовала в виде детекторов – элементной базы таких технологий. Потом такие системы были созданы в Европе, в Японии, в Китае.
А в Америке это было в 2003–2004 гг.
– Насколько Россия отстает в этой области?
– В России есть отдельные направления, которые не отстают, а опережают коллег. Почему мы принимали участие в том проекте в Америке? Компания «Сконтел», которую я основал, производит лучшие счетчики фотонов в мире. У нас их покупают на глобальном рынке. В этом отношении мы впереди. Но одной компанией не справиться. Если говорить о системах, здесь Россия отстает лет на 15.
Что такое квантовые технологии
Квантовая технология — это технология, основанная на квантовой физике. Ей уже более 70 лет. Всем известные транзисторы, лазеры, да и вся полупроводниковая электроника разработана с применением знаний о квантовой физике. Тогда почему об этой технологии все чаще говорят в будущем времени? Таким вопросом открыл конференцию профессор физического факультета Университета Калгари, член научного совета Российского квантового центра (РКЦ), редактор журнала Optics Express Александр Львовский. И тут же прояснил его.
Что такое квантовые коммуникации
Квантовые коммуникации (Quantum Communication — QC) — это область знаний о передаче неизвестного квантового состояния из одного местоположения (например, точка А) в другое, удаленное от первого местоположение (скажем, в точку Б). Эта задача не является тривиальной из-за теоремы о невозможности квантового клонирования состояния, которая запрещает делать это так, как делается в классической физике.
Ярослав Дубовиков, исполнительный директор Объединенной телекоммуникационной корпорации (оператор связи ОТК): «Когда квантовые коммуникации станут реальностью, они полностью перевернут наше представление о возможностях коммуникации. Это то будущее, которого мы все ждем».
Капитализация рынка квантовых технологий
«Современные кубиты быстро теряют когерентность. Не могут хранить информацию, — отметил он. — Главная задача на сегодня — создать хотя бы один логический кубит, который состоит из физических кубитов. И может хранить информацию сколь угодно долго посредством коррекции ошибок».
Данными общего рынка капитализации квантовых технологий также поделился физик-теоретик, сотрудник Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики (ИТМО) Антон Козубов:
Коммерциализация квантовых технологий в России
Она берет свое начало с 2017 года. Тогда РКЦ при поддержке Газпромбанка, ВЭБ, Сбербанка разработал квантовый блокчейн. В нем цифровые подписи заменили протоколами попарной аутентификации на основе квантовой криптографии. А конструкция «блоков» децентрализована по всей сети.
В то же время, некоторые эксперты приводят в пример разработки компании СКОНТЕЛ еще в 2004 году. Например, двухканальную систему регистрации оптических фотонов и приёмную систему терагерцевого излучения.
Завкафедрой квантовой оптики и телекоммуникаций МИЭМ НИУ ВШЭ, профессор Григорий Гольцман считает, что работы над квантовыми технологиями в России начались еще 17 лет назад.
«Важно не только пофантазировать о будущем, но и спуститься на землю и поговорить о том, как в небольшой группе российского университета МИЭМ делают свою квантовую технологию с 2001 года».
Тогда ученые создали сверхпроводящий однофотонный детектор SSPD. Новое развитие технологии, по словам Гольцмана, началось с установки SSPD на оптический волновод. И получения квантовых оптических интегральных микросхем. Применение оптического волновода увеличило эффективность регистрации фотонов до 91% от общего количества.
«Это может стать одним из шагов для создания оптических компьютеров», — сказал он.
Развитие квантовых технологий в России
Руководитель проекта Фонда перспективных исследований (ФПИ) Алексей Заблоцкий представил дорожную карту развития технологий квантовой обработки информации в Российской Федерации. Горизонт планирования установлен на 2030 год.
Карта выделяет четыре основных направления работы:
1. Квантовые вычисления и квантовое моделирование.
2. Квантовые коммуникации и квантовая криптография.
3. Квантовые стандарты частоты.
4. Квантовые датчики.
В рамках программы «Цифровая экономика РФ», которая предусматривает развитие квантовых технологий при финансировании РОСАТОМа, ФПИ и Минобрнауки РФ, был запущен пилотный проект по развитию технологий сверхпроводниковых кубитов.
Квантовые коммуникации: технологии
В этой области ученым удалось достичь гораздо больших успехов, чем в изобретении универсального квантового компьютера.
Львовский рассказал, что уже сегодня мы имеем три варианта реализации квантовой коммуникации.
1. По оптоволоконному кабелю — серверы связаны по уже существующим каналам коммуникации.
2. По открытому пространству — по оборудованию и сетям сотовых операторов.
3. Через спутниковую связь — обмен квантовым ключом шифрования с наземной станцией и орбитальным спутником.
Несомненным лидером по развитию квантовых коммуникаций является Китай. В стране работает сеть Пекин-Шанхай протяжённостью 2000 км с 32 узлами. А благодаря квантовой спутниковой станции была установлена сеть Пекин-Вена.
Системами квантовой коммуникации в России поделился Антон Козубов. В Университете ИТМО создали защищённый оптический маршрутизатор SCWQC моделированного излучения с квантовой рассылкой ключа на боковых частотах. Его внедрили в Санкт-Петербурге (квантовая сеть Университета ИТМО), Казани (коллаборация с телеком-оператором) и Самаре (коллаборация с ИТ-инфраструктурой).
Российская квантовая сеть
Помимо локальных квантовых сетей в России идет работа по созданию национальной квантовой сети. Так, коммерческий директор АО «СМАРТС» Игорь Наливайко рассказал о двух проектах компании, которые лягут в основу глобального построения национальной квантовой сети, составной части «Евразийского квантового пути».
• Проект «Создание автодорожных телекоммуникационных сетей». Он предусматривает прокладку магистральных ВОЛС в обочину автомобильных дорог протяженностью приблизительно 150 тыс. км на территории 85 субъектов РФ.
• Проект «Создание системы управления географически распределенными центрами обработки данных». Он обеспечит контроль доступа к информационным каналам, что повысит уровень информационной безопасности и решит задачи импортозамещения.
Чтобы не остаться на обочине прогресса, Россия создает Центр квантовых коммуникаций в рамках Национальной технологической инициативы (НТИ). Здесь будут сосредоточены все силы и ресурсы ведущих исследовательских центров и коммерческих компаний.
«Фактически все цифровые приборы, окружающие нас сегодня, — компьютеры, телефоны, лазеры и прочие гаджеты, — были продуктом первой квантовой революции, случившейся в середине столетия. Увы, сегодня в полупроводниковой индустрии мы сильно отстаем от мировых лидеров. Мы должны ухватиться за вторую квантовую революцию, которая уже началась», — говорит генеральный директор Российского квантового центра Руслан Юнусов.
«Центр квантовых коммуникаций будет не только решать важные научные задачи глобального уровня. Но и предоставит новые возможности для наших студентов и аспирантов. Их привлекут к работе в каждой лаборатории центра. Что поможет им войти подготовленными в завтрашний день», — подчеркивает ректор НИТУ МИСиС Алевтина Черникова.
«Условия в РФ будут способствовать возвращению отечественных ученых, которые уехали работать в зарубежные научные центры. Также мы сможем удержать в стране новых специалистов», — отметил зампред правления Газпромбанка Дмитрий Зауэрс.
В заключение, Александр Львовский сказал:
«Изменения в нашей жизни, к которым приведут квантовые коммуникации и технологии, сравнимы по масштабу революционности с теми, которые полупроводниковая электроника вызвала во второй половине XX века».