Квантовый интернет что это простыми словами
Как квантовый интернет изменит нашу жизнь
Однако технологическая эволюция, охватывающая весь мир, обещает и новые решения, которые могут предотвратить эти угрозы в будущем и защитить пользователей сети интернет от хакеров во всем мире.
И это решение называется квантовой физикой.
Фактически уже сейчас началась гонка среди ведущих стран в области технологического развития. Например, Министерство обороны США выпустило первый проект детального плана своей стратегии по реализации концепции квантового интернета в ближайшие несколько лет. США также присоединились к ЕС и Китаю в революционных изменениях в области квантовой связи.
Но что такое квантовый интернет и какие двери он открывает для нас в будущем?
Современное шифрование, обеспечивающее безопасность данных и связи, основано на алгоритмах, которые генерируют ключи для двух сторон, участвующих в обмене данными, которые они используют для шифрования связи. Хотя метод шифрования является безопасным и сложным, к сожалению, его тоже можно взломать.
По этой причине ученые искали способы повысить безопасность шифрования и обмена данными, сделав их квантовыми. В основе концепции квантовой кибербезопасности (так называемой идеи квантового распределения ключей (QKD)) лежит процесс связи между двумя сторонами, при котором отправитель шифрует традиционные данные, кодируя их в кубиты, и передает их получателю, который затем применяет свойства кубитов для декодирования информации.
Что особенно важно в этом процессе, так это то, что квантовое распределение ключей позволяет легко определить, были ли данные скомпрометированы или третья сторона попыталась взломать передачу. Поскольку прерывание процесса третьей стороной привело бы к коллапсу кубитов, получатель больше не сможет изменять передаваемое значение. Кроме того, если хакер попытается получить доступ к значению кубита, кубит изменит свое состояние, что станет сигналом взлома данных.
Несмотря на эти первоначальные шаги по созданию квантового интернета, пока решения работают только в национальном масштабе, а масштабирование возможностей на международном уровне все еще является прогнозом на несколько десятилетий вперед.
Но правда в том, что грядет технологическая эволюция. И уже сегодня она демонстрирует серьезные перспективы в области обеспечения безопасности, скорости, эффективности и предоставления новых беспрецедентных возможностей.
Мы все ближе к квантовому Интернету. Но что это такое?
Еще в феврале 2020 года ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США и Чикагского университета обнаружили, что они достигли квантовой запутанности — в которой поведение пары двух крошечных частиц становится связанным, так что их состояния идентичны – это произошло в 83,7 километровой сети с квантовыми петлями в пригороде Чикаго.
Вам может быть интересно, о чем весь этот шум, если вы не ученый, знакомый с квантовой механикой — то есть с поведением материи и энергии в наименьшем масштабе реальности, который особенно отличается от мира, который мы можем видеть вокруг нас.
Подвиг исследователей может стать важным шагом в разработке новой, гораздо более мощной версии Интернета в ближайшие несколько десятилетий. Вместо битов, которые использует современная сеть, которые могут выражаться только значениями 0 или 1, будущий квантовый Интернет будет использовать кубиты квантовой информации, которые могут принимать бесконечное число значений. (Кубит — это единица информации для квантового компьютера).
Это дало бы квантовому интернету большую пропускную способность, что позволит подключать сверхмощные квантовые компьютеры и другие устройства и запускать приложения, которые просто невозможны с имеющимся у нас Интернетом.
«Квантовый Интернет станет платформой квантовой экосистемы, в которой компьютеры, сети и датчики обмениваются информацией принципиально новым образом, в котором зондирование, общение и вычисления в буквальном смысле работают вместе как одно целое», — объясняет Дэвид Аушалом, профессор спинтроники и квантовой информации в Школе молекулярной инженерии Притцкера в Чикагском университете и старший научный сотрудник в Аргонне, который руководил проектом квантовой петли.
Что такое квантовый интернет?
Так зачем нам он и что он делает? Для начала, квантовый интернет не является заменой обычного интернета, который у нас сейчас есть. Скорее это дополнение к нему. Он мог бы позаботиться о некоторых проблемах, которые мешают нынешнему интернету. Например, квантовый интернет обеспечит большую защиту от хакеров и киберпреступников. Прямо сейчас, если Алиса в Нью-Йорке отправляет сообщение Бобу в Калифорнии через Интернет, это сообщение проходит более или менее по прямой линии от одного побережья к другому. Попутно сигналы, которые передают сообщение, ухудшаются; повторители читают сигналы, усиливают и исправляют ошибки. Но этот процесс позволяет хакерам «взломать» и перехватить сообщение.
У квантовых сообщений нет этой проблемы. Квантовые сети используют частицы легких фотонов для отправки сообщений, которые не подвержены кибератакам. По словам Рэя Ньюэлла, исследователя из Национальной лаборатории Лос-Аламоса, вместо того, чтобы шифровать сообщение с использованием математической сложности, мы будем полагаться на особые правила квантовой физики. С квантовой информацией, «вы не можете скопировать или разделить ее, и вы даже не можете посмотреть на нее, не изменив ее». Фактически, просто попытка перехватить сообщение уничтожает сообщение, как отмечает журнал Wired. Это позволило бы сделать все намного более безопасным, чем доступно сегодня.
«Самый простой способ понять концепцию квантового интернета — это концепция квантовой телепортации», — говорит Сумит Хатри, исследователь из Университета штата Луизиана в Батон-Руж. Он и его коллеги написали статью о возможности космического квантового интернета, в котором спутники будут непрерывно транслировать запутанные фотоны на поверхность Земли, как описано в статье «Обзор технологий».
«Квантовая телепортация не похожа на то, что может придумать ум не-ученого с точки зрения того, что они видят в научно-фантастических фильмах», — говорит Хатри. «В квантовой телепортации два человека, которые хотят общаться, совместно используют пару квантовых частиц, которые запутаны. Затем, посредством последовательности операций, отправитель может отправить любую квантовую информацию получателю (хотя это не может быть сделано быстрее, чем со скоростью света). Эта совокупность общего запутывания между парами людей во всем мире, по сути, составляет квантовый Интернет. Главный вопрос исследования заключается в том, как лучше всего распределить эти запутанные пары среди людей, распределенных по всему миру».
Как только это можно будет сделать в больших масштабах, квантовый Интернет станет настолько удивительно быстрым, что удаленные часы будут синхронизированы примерно в тысячу раз точнее, чем лучшие атомные часы, доступные сегодня, как пишет журнал Cosmos. Это сделало бы GPS-навигацию намного более точной, чем сегодня, и отобразило бы гравитационное поле Земли так подробно, чтобы ученые могли заметить пульсацию гравитационных волн. Это также могло бы позволить телепортировать фотоны из отдаленных телескопов видимого света по всей Земле и связать их в гигантскую виртуальную обсерваторию.
«Вы могли потенциально видеть планеты вокруг других звезд», — говорит Николас Питерс, руководитель группы квантовой информационной науки в Национальной лаборатории Ок-Риджа.
Проблемы построения квантового интернета.
Но прежде чем что-либо из этого может произойти, исследователи должны выяснить, как построить квантовый Интернет, и, учитывая странные особенности квантовой механики, это будет непросто. «В классическом мире вы можете кодировать информацию и сохранять ее, и она не разрушается», — говорит Питерс. «В квантовом мире вы кодируете информацию, и она начинает распадаться практически сразу».
Другая проблема состоит в том, что, поскольку количество энергии, которая соответствует квантовой информации, действительно мало, трудно удержать ее от взаимодействия с внешним миром. Сегодня «во многих случаях квантовые системы работают только при очень низких температурах», говорит Ньюэлл. «Другая альтернатива — работать в вакууме».
Ньюэлл говорит, что для создания квантовой интернет-функции нам понадобятся виды аппаратного обеспечения, которое еще не разработано. Поэтому сложно сказать, когда именно будет запущен квантовый интернет, хотя некоторые ученые предполагают, что это может произойти уже в 2030 году.
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.
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: перспективы и сложности реализации
По оценкам немецких исследователей из Общества Макса Планка, глобальную квантовую сеть удастся реализовать уже в ближайшие несколько лет. Расскажем, какие здесь есть сложности.
Что такое квантовые сети
Квантовая сеть — это система передачи данных, работающая по законам квантовой механики. В таких сетях обмен данными осуществляется при помощи кубитов. Это поляризованные фотоны, транслируемые по каналу оптической связи. Для того чтобы развернуть глобальные квантовые сети, покрывающие всю планету, как интернет, разработчикам и исследователям предстоит решить ряд трудностей. Например, определённую сложность вызывает передача фотонов на большие расстояния из-за их «хрупкости». Подробнее об этой и других проблемах мы расскажем далее, но сперва поговорим о том, зачем вообще создавать квантовые сети.
Чем они могут быть полезны
Явление квантовой запутанности связывает квантовые частицы таким образом, что при измерении характеристик одной из них, мы автоматически узнаем характеристики второй. Причем связь эта сохраняется даже на больших расстояниях.
Если установить между двумя точками соединение, можно генерировать последовательности случайных чисел на двух его концах. В криптографии эта особенность используется для генерации ключей шифрования.
Еще одно достоинство квантовых сетей — невозможность прочитать транслируемые фотоны дважды. Законы квантовой механики запрещают «клонирование» состояния частиц света. При перехвате кубита, он меняет своё значение. Получается, что при попытке «подслушать» канал передачи данных, злоумышленники не смогут извлечь никакой ценной информации. На выходе они получают случайный набор цифр.
Таким образом, квантовые сети — это почти абсолютная криптографическая защита. Почти абсолютная, так как ученые из Швеции доказали, что «подслушать» такую сеть все же возможно. Для этого нужно сымитировать квантовый шифр. Детекторы фотонов игнорируют неполяризованные частицы света, называемые нулями. Если сымитировать эти нули в определенный момент времени и направить их на приемник, то он посчитает сигнал квантовым (хотя это не так).
Решить проблему можно, но придется менять принципы работы приемников. Один из вариантов — добавить индикатор мощности сигнала (так как при вмешательстве извне она будет изменяться). Но это приведет к увеличению стоимости развертки квантовых сетей.
Почему это сложно
«Хрупкость» кубитов, которая делает квантовую коммуникацию надежной, привносит и недостатки. Одиночные фотоны меняют свои состояния или просто поглощаются средой из-за помех. По этой причине бывает сложно передать квант по оптоволоконному кабелю на расстояние свыше 100 км.
/ Flickr / Alexandre Delbos / CC
Сейчас оптоволоконные квантовые сети строятся с использованием повторителей. Они декодируют информацию, кодируют её снова и передают другим узлам по цепочке. Однако таким образом посредники тоже узнают содержание сообщения, что может привести к утечке в случае компрометации одного из них. Здесь возникает проблема и со стоимостью — такие повторители используют дорогостоящие магниты и редкие минералы.
Важно учитывать и среду, в которой эти сети будут развертываться. Есть существенная разница между лабораторными и «боевыми» условиями. В городе на оптоволоконные кабели влияют перепады температур. Это может привести к сдвигам фаз фотона и вызывать ошибки при передаче данных.
Решить проблему с передачей на большие расстояния позволит квантовая телепортация. Исследователи могут по желанию вводить два кубита в состояние квантовой запутанности. Таким проектом занимается группа из Делфтского технического университета в Нидерландах. Исследователи строят десятикилометровую квантовую сеть между городом Делфт и Гаагой.
Такие технологии пока находятся на ранних этапах разработки. Дело в том, что поддерживать «связанность» продолжительное время затруднительно из-за разрушающего эффекта (называемого декогерентностью), которое оказывает на кванты внешняя среда. Удержать состояние квантовой запутанности удается на доли секунды.
Где можно будет использовать квантовые сети
Как мы уже говорили, квантовые сети обладают высокой стойкостью к прослушке. Поэтому они позволяют строить надежные системы распределения криптографических ключей. Такие технологии уже есть. Например, в начале года в Китае запустили систему распределения криптографических ключей, в которой данные передаются посредством спутников и лазерных лучей. Похожую систему предложили немецкие исследователи.
Также квантовые сети должны объединить в сети квантовые компьютеры. Ожидается, что кластеры квантовых машин ускорят проведение физических и химических симуляций, например, при разработке новых медицинских препаратов.
Есть юзкейсы и за пределами науки, например голосования. Такой проект был реализован в Швейцарии — несколько лет назад CERN помогли организовать квантовую сеть для проведения выборов. По словам экспертов из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, помимо надежности квантовые сети дают возможность реализовывать новые стратегические схемы голосования, недоступные сегодня. Например, люди получат возможность выбирать не одного кандидата, а сразу двух (второй вариант).
Развитием квантовых сетей занимаются многие институты и организации. Поэтому в последнее время появляется всё больше подобных проектов. Об иностранных и российских разработках в этой области, мы расскажем в наших следующих материалах на Хабре.