квантовая передача информации что это
Квантовая сцепленность, информация и сигнал
Квантовая сцепленность
Для начала попробую пояснить эффект квантовой сцепленности:
Есть пара носков. Каждый носок из пары сразу после момента создания сцепленности помещен в отдельный ящик и отправлен своему адресату. В момент, когда один из адресатов открывает посылку, он видит правый (или левый) носок и тут же получает информацию о том, какой носок у второго адресата, как бы далеко тот ни находился. Причем заранее точно предсказать, будет ли носок правый или левый, невозможно. А самое главное, что и делает квантовую физику столь отличной от физики классической: пока носки не открыли, они и сами «не знают», какой правый, а какой левый. Но как только один из носков подвергся наблюдению и «определился», второй в тот же момент обретает строго противоположное свойство. Более подробно, с доказательством, можно узнать по запросу «Теорема Белла».
Как видим, передать осмысленную информацию напрямую через это свойство невозможно. Но есть обходной путь.
Принцип передачи носителя информации и сигнала
Итак, квантовому спутнику связи QUESS удалось передать запутанные фотоны между парами обсерваторий, находившихся на расстоянии до 1203 километров. Ученые подтвердили соотношение: одно событие успешной передачи на шесть миллионов отправленных фотонных пар. Соотношение сигнал/шум, казалось бы, не вызывает оптимизма, однако сам факт успешности передачи переводит задачу работы с подобным носителем информации из невозможных в инженерную задачу борьбы избыточности и шума.
Надеюсь, со временем мы придумаем много способов использовать квантовую сцепленность. Опишу один из, по-моему, возможных.
Первый этап: устройство разделяет сцепленные пары и передает на вышки «А» (будущий условно передатчик) и «В» (будущий условно приемник) на хранение запутанные фотоны последовательной цепочкой. Носитель информации передан.
Второй этап: вышка «А» проводит измерение (наблюдение) первого фотона в цепочке, определяя момент начала передачи сообщения, запускает таймер «Т», за время которого проводит измерение тех фотонов в цепочке, которые будут условными единицами и не затрагивает те фотоны, которые будут условным нулем; посредством слабого измерения аппаратура вышки «В» определяет изменение состояния первого фотона и запускает таймер «Т».
Третий этап: по окончании заданного времени «Т» аппаратура вышки «В» фиксирует состояние фотонов в цепочке посредством слабого взаимодействия, где потерявшие сцепленность фотоны — 1, оставшиеся сцепленными — 0.
Так же, например, триггером начала и конца наблюдения цепочки может быть таймер синхронизированного заранее времени.
Таким образом, нас не интересует, каков именно фотон в паре. Нас интересует сам факт: сохранилась сцепленность, или нет. Сигнал передан.
Это концепция из идеального мира, где ни один фотон не потерялся, цепочка была собрана правильно, и так далее. Проблемы реального мира — это проблемы борьбы избыточности и шума, а также сложность в создании систем хранения, воздействия, и контроля частиц.
Но главное — принципиальная возможность передачи сигнала посредством квантовой сцепленности.
Взаимосвязь носителя информации и сигнала
Сама возможность подобного способа работы с сигналом позволяет нам взглянуть на информацию под новым углом. Получается, что в момент передачи носителя информации (цепочки сцепленных частиц) в рамках действующих законов, не быстрее скорости света, мы передаем всю возможную информацию, которую только можно таким образом закодировать.
Приведу аналогию: вы заказали книгу в библиотеке, встречаете курьера, а у него за спиной, невидимые вам, все книги из библиотеки, знаете вы о них, или нет. Вы называете автора и название, забираете свою одну книгу, и остальные тут же уничтожаются.
До следующего курьера из библиотеки.
Еще аналогия: я пишу слово «коса» и у вас в мозгу возникают образы, которые могут быть инициированы этим носителем информации. Однако для передачи сигнала требуется конкретизация: «русая» или «деревянная» или «песчаная». На других языках это сочетание символов «коса» может означать что-то иное, и информация содержится в носителе независимо от того, знаем ли мы ее. Мы просто не имеем уточняющего триггера и памяти для нужного сигнала.
Так и с цепочкой частиц: в момент передачи к вышкам мы передали всю возможную информацию (возможные варианты), оставаясь в рамках знакомой физики, не быстрее скорости света, а фактом измерения лишь произвели уточнение.
В целом, нас ждет увлекательное время в попытках объяснить (и понять), что условный шпион, протащив пару запутанных частиц на объект и нажав в определенное время кнопку (или не нажав, оставив частицы сцепленными) не передал через парные частицы «в штабе» информацию быстрее скорости света. Он пер свою часть информации как улитка на своем горбу. А кнопкой лишь уточнил, выбрал, конкретизировал. Нам еще предстоит разобраться, что он сделал. Но военным понравится. Понравятся шахты, которые невозможно экранировать от команды, и без управляющих проводов. Понравится возможность отдать приказ на любое расстояние, через любые глушилки, на заранее взятый с собой приемник с контейнером частиц. Думаю, именно они, опять, будут двигать технологию.
Или хирург, для которого вышки по всему миру всю ночь накапливали носители информации (запутанные частицы) на разных концах планеты со всем почтением к скорости света, будет делать операцию и видеть мгновенные реакции хирургического робота за десятки тысяч километров от своего кабинета. Он будет потом в интервью говорить, что все происходило мгновенно. А читающий это физик будет ворчать, что вся информация обо всех возможных действиях хирурга была передана еще ночью (с точки зрения физики), с нормальной скоростью. А хирург лишь «уточнил» своими действиями, как именно он прооперировал.
Или взаимодействие информации и, например, свойства локальности мира. Это свойство означает, что событие в одной точке, скажем, планеты не может мгновенно повлиять на физическую действительность в другой точке планеты. Тогда, если условное нажатие кнопки посредством эффекта квантовой запутанности мгновенно зажжет лампочку на другой стороне планеты, значит информация о влияющем событии содержалась в носителе информации до того, как влияющее событие произошло.
Получается, мы находимся на пороге следующего шага эволюции сигнала. При помощи квантового мира мы разделяем скорость прохождения сигнала и скорость распространения носителя информации. Обеспечив запас сцепленных пар с нормальной скоростью, в тот момент, когда критично передать сигнал практически мгновенно, мы можем, пусть пока теоретически, это осуществить.
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.
Моментальное решение задач и почти абсолютная защита данных: как применяют квантовые технологии и в чём их недостатки Статьи редакции
Обзор современных разработок и компаний, которые создают квантовые компьютеры, линии связи, сервисы квантовой защиты, квантовые спутники и телефоны.
Ещё с первой половины 20 века учёные ищут способ использовать квантовые технологии для защиты информации. Они разрабатывают такую систему передачи данных, чтобы её взлом противоречил законам физики.
К примеру, чтобы прочесть зашифрованное сообщение, получателю необходим ключ, с помощью которого он сможет перевести и понять засекреченную информацию. Ранее такие операции были ненадёжны: письмо с секретной информацией могли перехватить, аккаунт взломать и так далее.
Квантовая криптография же исключает такую возможность — при попытке воровства посылаемая по специальным сетям информация искажается, а вмешательство третьего лица сразу становится очевидным для отправителя и получателя.
Обмен сведениями происходит через одиночные фотоны по оптоволокну. Один фотон — один бит информации, который соответствует нулю или единице в зависимости от направления поляризации частицы.
При передаче информации на далёкое расстояние информация наиболее уязвима, и здесь квантовые технологии становятся полезными.
В перспективе их будет гораздо больше: это и сверхточные часы, и сверхточные датчики, и новые перспективы в материаловедении, и в создании новых материалов, и те же самые квантовые компьютеры.
Когда технология пересечёт границу между классическим и квантовым мирами, произойдёт бум квантовых технологий, начнётся резкое развитие, в том числе и рынка.
ИТ, медицина, цифровая экономика, искусственный интеллект — часть отраслей, где используют квантовую защиту. В развитие этой технологии инвестируют правительства США, Китая, Великобритании, Японии, России и других стран.
Несмотря на плюсы квантовой защиты, есть трудности, из-за которых государства не могут её применить масштабно.
Хотя фотоны и движутся со скоростью света, в линиях квантовой связи их распространение ограничено из-за тепловых шумов и дефектов оптоволокна
Высокий уровень помех замедляет скорость передач и приводит к тому, что системе приходится многократно повторять «посылку», чтобы исправить ошибки в коде.
Эту проблему пытаются решить сотрудники Делфтского института в Нидерландах, они работают над квантовыми повторителями — устройствами, способными «воссоздавать» квантовую информацию, не разрушая её.
В России проекты в сфере квантовых технологий развивают компании «Курэйт», «Кванттелеком» и «Инфотекс», работающие совместно с РКЦ, Университетом ИТМО и Центром квантовых технологий Московского госуниверситета имени Ломоносова (МГУ).
Группа Александра Львовского нашла способ «усиления» квантовых свойств светового импульса, обеспечивающего успешную передачу данных. Учёный уверен, что появление квантовых повторителей на рынке поспособствует массовому применению квантовой криптографии.
Это касается каждого из нас. Квантовая криптография — это не только военные или шпионские секреты, это номера кредитных карточек, истории болезни.
У каждого из нас масса конфиденциальной информации. Чем более открытым становится мир, тем важнее для нас контролировать доступ к ней.
Часто квантовая криптография преподносится как абсолютно безопасная, однако уже известны несколько случаев её взлома. Один из них — во время исследований лабораторией Quantum hacking lab.
Чтобы получить ключ шифрования, Вадим Макаров, работающий в Норвежском университете естественных и технических наук (NTNU), и группа его коллег разработали систему, которая с помощью лазерного луча перехватила сигнал, расшифровала послание и подменила его таким образом, что получатель не заметил взлома.
В некоторых случаях перехватчику неважно, оставит ли он «следы». Для такой ситуации специалисты, которые тестируют коммерческие системы квантовой криптографии на наличие лазеек, разрабатывают разные виды атак. Например:
Так как квантовая криптография оказалось уязвимой из-за передачи фотонов, учёные нашли альтернативу — квантовую телепортацию (подразумевается передача информации, а не материи).
Законы микромира таковы, что если отправитель не знает заранее направления поляризации фотона, то и получатель определить его не сможет. Однако даже если кому-то из них удастся вычислить это направление, то оно тут же изменится и полученная информация будет неверной.
Учёные пришли к выводу: нужно найти способ передать сообщение косвенным образом, не напрямую. Этот способ связан с «запутанностью фотонов», что означает: две частицы неразрывно связаны между собой, и у каждой направление поляризации неизвестно, но какое бы оно ни было у одной из них — у другой будет противоположным.
«Если отправитель с Земли хочет телепортировать один фотон с неизвестным направлением поляризации на космическую станцию, то для этого ему нужно ещё два фотона, которые были бы связаны», — утверждает Юджин Ползик, профессор физики Института Нильса Бора.
Профессор Юджин Ползик объясняет этот процесс так: отправитель помещает один из связанных фотонов рядом с изначальным (направление которого он хочет измерить), а второй отправляет на космическую станцию. Затем отправитель производит общее измерение на одном из связанных фотонов и на изначальном, а после передаёт результат получателю (любой связью: по телефону, почте и так далее).
Из-за того что частицы «запутаны», фотон на космической станции изменит направление поляризации в зависимости от того, каков результат измерения отправителя. Измерив все три направления поляризаций (связанные фотоны имеют противоположные направления, которые сократятся), получатель получит информацию об изначальном фотоне.
Изображение запутанности: на фотографии два близких фотона, взаимодействующих и обменивающихся физическими состояниями в течение короткого времени
На практике это значит, что отправленное таким способом сообщение получит только тот, кому оно адресовано. Даже если злоумышленнику удастся перехватить сообщение по классическому каналу (телефону, интернету и так далее), у него не будет возможности прочесть информацию из-за отсутствия одного из связанных фотонов, которые находятся у отправителя и получателя.
Квантовые компьютеры планируют использовать для создания новых лекарств, изучения свойств материалов, решения логистических задач (например, избавить город от пробок).
Хотя сейчас квантовые компьютеры не способны решать проблемы такого масштаба (слишком сложны в конструировании и нестабильны в работе), компании уже выпускают их, чтобы закрепиться на рынке.
Сейчас в компьютерах бит может находиться в двух состояниях — ноль или единица. В квантовом компьютере вместо битов — кубиты: квантовые частицы, которые могут быть не только нулями и единицами, но и значениями между этими цифрами. Как и в случае с «запутанностью фотонов», кубиты связаны между собой, поэтому квантовые компьютеры одновременно перебирают все возможные варианты решения, и на момент введения данных результат уже будет получен.
Скорость квантовых компьютеров можно оценить на примере: в 2019 году Google объявила, что её квантовый компьютер (с 53-кубитовым процессором) смог за 3 минуты 20 секунд выполнить расчёт, на который самому мощному в мире суперкомпьютеру Summit от IBM понадобилось бы примерно 10 тысяч лет. Пока квантовый компьютер от Google в партнёрстве с NASA может выполнять только один технический расчёт. Следующий этап проекта — решение практических задач с помощью этого устройства.
Современный исследовательский центр квантовых вычислений и квантового интернета QuTech также работает над созданием квантового компьютера. Для этого он привлекает молодых учёных и студентов старших курсов университетов.
В России квантовый компьютер разрабатывает «Росатом». Корпорация пообещала создать его к 2024 году и планирует потратить на него 24 млрд рублей. Экономический эффект от разработки ожидается не ранее чем через пять лет, планируется создать четыре типа квантовых компьютеров размером от 50 до 100 кубитов.
Многие компании заинтересованы в квантовых технологиях. Мы планируем параллельно работать над созданием софта для квантового компьютера, чтобы, когда его мощность достигнет достаточного размера, софт под запросы бизнеса к нему был уже готов.
«Росатом» ведёт переговоры о разработке с 25 компаниями, среди которых «Сбербанк» и «Сбербанк-Технологии», «Газпромбанк», «Сибур» и «Газпромнефть».
Поэтому разработчики коммерческих решений предлагают технологию квантового распределения ключей (метод, позволяющий двум сторонам, соединенным по открытому каналу связи, создать общий случайный ключ, который известен только им, и использовать его для шифрования и расшифрования сообщений) в виде сервиса.
Эта технология позволяет вырабатывать и менять симметричные ключи практически любой длины с недоступной ранее скоростью, предотвращая угрозу квантовых алгоритмов криптоанализа (подбирая нужный ключ, хакер потратит тысячи, если не миллионы, лет).
Такую альтернативу используют, например, в банковской сфере (ключи уже передаются в «Газпромбанке»), где требуется соблюдение особых условий безопасности. Компании Id Quantique, MagiQ, Smart Quantum уже предлагают готовые криптосистемы.
Среди других крупных проектов: «Ростелеком» прогнозирует в течение двух лет (начиная с середины 2019 года) запуск первых коммерческих сервисов с использованием квантового шифрования.
Мы переходим на принципиально новый уровень испытаний, когда создается многоузловая сеть с оборудованием различных вендоров.
На такой сети нам важно протестировать и показать потенциальным клиентам прототипы коммерческих сервисов, например, организацию защиты магистральных каналов передачи данных или виртуальных частных сетей (VPN) с помощью КРК.
На созданной в Санкт-Петербурге сети как раз будут обкатываться будущие коммерческие сервисы
В феврале 2020 года в журнале Nature Пан Цзянь-Вэй из Китайского Университета науки и технологий в Хэфэй и его коллеги описали эксперимент, в котором они продемонстрировали более эффективный способ запутывания двух частиц.
Команда создала запутанное состояние двух узлов из ансамблей охлаждённых атомов, помещённых в резонатор. Узлы были связаны оптоволокном, а запутанность строилась через фотоны, частоты которых были сдвинуты таким образом, чтобы потери в оптоволокне были минимальными. В итоге физики обнаружили новый способ более надёжного запутывания, чем в предыдущих экспериментах.
Это значительное улучшение. Разработанные методы можно использовать для построения квантовых сетей между городами в ближайшем будущем.
Этот эксперимент в будущем позволит создавать крупномасштабные квантовые сети, что может помочь развитию квантового интернета.
В 2016 году в России проложили первую в стране линию квантовой связи. Эта линия соединила два филиала «Газпрома» в Москве, а её общая протяжённость составила около 30 км. Вскоре запустили и первую междугороднюю линию в Ленинградской области. Её протяжённость составила 60 км.
В 2017 году специалисты РКЦ создали линию квантовой связи между двумя отделениями «Сбербанка» в Москве и опробовали её: передали по ней не только квантовые ключи шифрования, но и финансовые данные.
В 2021 году в России планируют создать коммерческую линию квантовой связи длиной 670 км. Проект «Ростелекома» называется «Ландау», его реализуют по программе «Цифровая экономика России 2024». Сеть между расположенными в Москве и Удомле (Тверская область) центрами обработки данных смогут использовать как крупные государственные компании, так и частные корпорации, в том числе банки.
В университете ИТМО планируют создать серийные устройства, которые позволят надёжно зашифровать обычные линии связи. Инвестором проекта стала компания СМАРТС, которая рассчитывает на запуск серийного производства устройств для квантовой защиты линий связи в течение трёх-пяти лет. «В мире интерес к квантовой связи проявляют в первую очередь финансовые организации и спецслужбы», — пояснил председатель совета директоров СМАРТС Геннадий Кирюшин.
Квантовый канал Пекин-Шанхай соединил Пекин с Цзинанем и Хэфэй с Шанхаем на расстоянии более 1200 миль. Несколько крупных китайских банков уже используют эту связь для передачи конфиденциальных данных.