что такое квантовый интернет
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.
Квантовые сети: что разрабатывают в России и за рубежом
В прошлом материале мы говорили о перспективах квантовых сетей и сложностях, которые стоят перед их разработчиками. Сегодня расскажем, над какими проектами работают отечественные и иностранные исследователи. Если вам интересна эта тема, приглашаем под кат.
Где и зачем нужны квантовые сети
Обмен данными в квантовых сетях происходит с помощью поляризованных фотонов, называемых кубитами. Такие сети нельзя «прослушать», так как кубиты очень хрупкие и при считывании меняют свое значение. В результате стороны, обменивающиеся данными по защищённым каналам, могут сразу идентифицировать MITM-атаку. При этом явление квантовой запутанности позволяет узнавать об изменении свойств квантовых частиц на расстоянии. Эта особенность может использоваться для генерации случайных чисел в двух точках одновременно.
По этим причинам квантовые сети нашли применение в системах распределения и генерации криптографических ключей.
Зарубежные разработки
Разработкой квантовых систем распределения криптографических ключей занимается множество европейских государств, а также США, Китай и другие страны.
Первый рабочий проект квантовой сети был разработан DARPA (Управление Министерства Обороны США) в далёком 2001 году. Её создавали те же организации, что ранее занимались реализацией ARPNET. Сейчас квантовая сеть развернута в Массачусетсе, где соединяет несколько научных и военных организаций.
Некоторое время спустя в сфере квантовой криптографии появились первые коммерческие решения. В 2002 году дебютировала система Navajo от MagiQ Technologies, которую используют NASA. Система использует протокол квантового распределения ключа BB84. Этот протокол предполагает, что коммуницирующие узлы имеют два соединения: оптоволоконное (квантовое), по которому происходит обмен криптоключами, и классическое интернет-подключение для передачи данных. Такой подход используется и сегодня.
В самом начале нулевых работу над технологиями квантовой криптографии проводили и европейские исследователи. Примером может быть проект SECOQC, созданный для поддержания государственной безопасности стран Евросоюза. В 2004 году ЕС инвестировал в проект 11 млн евро, и в 2008 сеть запустили в Вене.
На тот момент главной проблемой, с которой столкнулись исследователи, была сложность передачи запутанных кубитов на большие расстояния. В частности, длина квантовой сети MagiQ ограничивалась 30 километрами.
Воздействие внешней среды разрушает кванты (эффект носит название декогерентности). Этот эффект также является причиной сложности длительного удержания «запутанного» состояния квантовых частиц.
Сегодня активно ведутся разработки, которые адресуют эту трудность. В частности, сотрудники Делфтского института в Голландии работают над повторителями, которые должны помочь увеличить масштабы сетей. Для проведения тестов они прокладывают десятикилометровую квантовую сеть между городом Делфт и Гаагой. Позже — к 2020 году — она должна соединить четыре европейских города.
Также некоторые страны работают над реализацией спутниковых квантовых систем распределения криптографических ключей. Например, в прошлом году китайские инженеры совершили первую в истории квантовую телепортацию при передаче данных из космоса.
Фотоны транслировались на землю с помощью лазеров. Чтобы снизить влияние декогерентности на передаваемые квантовые частицы, спутник вывели на 500-километровую орбиту. Таким образом, частицы света значительную часть пути преодолевают в вакууме. При этом влияние атмосферы снизили за счет размещения принимающей станции на высоте в четыре километра над уровнем моря в Тибете. В начале этого года сотрудники Пекинской Академии Наук использовали спутник для проведения телеконференции с применением квантовой связи.
/ Flickr / Jeremy Atkinson / CC BY
Как дела в России
Эксперименты с квантовыми сетями и распределением квантовых ключей ведутся и в России. Считается, что первую в нашей стране квантовую сеть (а, точнее, линию) проложили исследователи из Университета ИТМО между двумя корпусами вуза.
Через пару лет эти же специалисты совместно с коллегами из Казанского квантового центра запустили первую в РФ многоузловую квантовую сеть. Всего узлов было четыре, располагались они на расстоянии 40 км друг от друга. Сейчас исследователи работают над прокладкой сети из Казани в Набережные Челны и ведут переговоры с финансовыми организациями, заинтересованными в адаптации технологии для реализации шифрованных коммуникаций.
Еще пример разработки — в 2016 году физики из Российского квантового центра (РКЦ) проложили первую квантовую сеть в условиях города. Оптоволоконные кабели протянули между двумя банковскими отделениями в Москве, находящимися в 30 километрах друг от друга. Теперь специалисты из РКЦ работают над 250-километровой линией квантовой связи. Она будет пролегать между офисом РКЦ, технопарком «Сколково» и дата-центром «Сбербанка». Сеть разделят на десять участков длиной в 80 километров. На некоторых отрезках сети данные планируют передавать с помощью ИК-лазеров.
Можно ожидать, что проекты, ныне спонсируемые финансовыми, научными и государственными институтами, со временем позволят организовать более масштабные квантовые сети.
О чем еще мы пишем в блоге на сайте VAS Experts:
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:
В Нидерландах создан первый в мире демонстратор квантового интернета
В лабораториях давно испытывают совместную работу отдельных квантовых «процессоров» — сверхпроводящих и других кубитов — но для настоящей сети из квантовых систем необходимо также создать промежуточные узлы для обеспечения согласованной распределённой работы. Это станет основой квантового интернета, первый решительный шаг в направлении которого на днях сделали учёные из Нидерландов.
Трёхузловая квантовая сеть Интернет в представлении художника. Источник изображения: Matteo Pompili for QuTech
Исследователи в пределах лаборатории создали три квантовых узла — условно говоря, два однопроцессорных квантовых компьютера и один квантовый маршрутизатор. Маршрутизатор содержал второй кубит, играющий роль квантовой памяти. Квантовая запутанность устанавливалась последовательно между кубитом первого компьютера и кубитом маршрутизатора, после чего она запоминалась в кубите-памяти маршрутизатора, затем кубит маршрутизатора запутывался с кубитом второго компьютера и, наконец, совершалась запутанность между кубитами обоих компьютеров. Анимация ниже даёт примерное представление о работе квантовых узлов.
Важной особенностью эксперимента стало то, что после установления прямой запутанности между двумя квантовыми «компьютерами» сеть смогла сгенерировать «флаг» состояния. Это означает, что появилась основа для создания протоколов и масштабирования квантового интернета. «После создания [запутанности] мы смогли сохранить возникающие запутанные состояния, защищая их от шума, — сказала один из исследователей Софи Херманс (Sophie Hermans). — Это означает, что в принципе мы можем использовать эти состояния для квантового распределения ключей, квантовых вычислений или любого другого последующего квантового протокола».
Отчёт о работе учёные опубликовали в издании Science. Исследование проведено в центре QuTech, созданном Делфтским технологическим университетом (TU Delft) и Нидерландской организацией прикладных научных исследований (TNO). Также напомним, что с QuTech активно работает компания Intel, хотя в данном эксперименте, скорее всего, оборудование Intel не использовалось (компания не занимается кубитами на фотонных ловушках, а в опыте были использованы оптические кубиты).
Авторы исследования. Источник изображения: Marieke de Lorijn for QuTech
В лаборатории исследователи сосредоточатся на добавлении большего количества квантовых битов в свою трёхузловую сеть, а также на добавлении программных и аппаратных уровней более высокого уровня. «После того, как будут разработаны все высокоуровневые уровни управления и интерфейса для работы сети, любой сможет писать и запускать сетевое приложение без необходимости понимать, как работают лазеры и криостаты. Это конечная цель», — сказал другой автор исследования Маттео Помпили (Matteo Pompili).
Добавим, первую распределённую городскую квантовую сеть Интернет в Амстердаме построят в следующем году. Проект стартовал чуть больше года назад, но это уже другая история.
Пора ли отказываться от обычного Интернета в пользу квантового?
Современный интернет полагается на сложные алгоритмы шифрования для защиты информации, но хакеры приспосабливаются и учатся обходить такие системы, что приводит к кибератакам по всему миру. По прогнозам экспертов, ущерб экономике от кибератак продолжит свой рост, хотя мировая экономика уже теряет триллионы долларов ежегодно. С учетом этого, интерес к поиску альтернативы интернету выглядят всё более обоснованным, и создание квантовой сети выглядит хорошей заменой стандартным методам шифрования.
Благодаря команде ученых, создавших прототип многопользовательской квантовой сети, человечество стало ближе к созданию безопасного аналога интернета. В публикации разобрана квантовая сеть, объединяющая 8 пользователей в связный граф, и это самая большая на момент выхода статьи сеть, не требующая никаких доверительных узлов. То есть, любой пользователь может одновременно обмениваться защищённым ключом с любым другим, для чего требуется только 8 пар каналов длин волн и минимальное пользовательское оборудование.
Благодаря законам физики, в сети возможна передача сообщения полностью безопасными от перехвата способом. А в силу относительной, по сравнению с другими квантовыми сетями, дешевизне, также получается преодолеть серьезные проблемы, которые ранее ограничивали прогресс в этой технологии.
Запутываем определениями
Чтобы дальнейший материал был доступен для широкой аудитории, начну с азов. Уже давно физики разработали квантовое распределение ключей, метод безопасной передачи ключа. Он основан на том, что данные кодируются в состояниях фотона, которые в соответствии с законами квантовой механики меняются при попытке измерения. Этот процесс позволяет двум сторонам без риска перехвата обмениваться секретным ключом, используемым для шифрования и дешифрования информации. До недавнего времени этот метод был эффективен только между двумя пользователями.
Кроме того, в квантовой технике применяется принцип, называемый квантовой запутанностью. Это явление, при котором квантовое состояние двух или большего числа объектов должно описываться во взаимосвязи друг с другом, даже если отдельные объекты разнесены в пространстве. Этот процесс открывает большие возможности для квантовых компьютеров, сенсоров и обработки информации.
Объясняем реализацию
Более ранние модели квантовых сетей можно разбить на несколько типов:
Первые опирались на доверительные узлы, которые должны быть безопасны от прослушивания. На практике редко удаётся доверять каждому узлу. Кроме того, каждый узел использовал много копий принимающего и отправляющего оборудования, что заметно увеличивало затраты. Более подробно с этим вариантом сетей можно разобраться на этом примере.
Вторые давали возможность одновременно обмениваться ключом только определённым парам пользователей. Например, в этой статье один централизованный источник динамически распределяет двустороннюю запутанность между пользователями с помощью оптических коммутаторов.
Третьи сети связывали всех пользователей, но часто основывались на многочастичной запутанности, что препятствовало их масштабированию. К счастью, построить такую сеть можно и с использованием мультиплексирования. Хорошим примером может служить данная модель, но она всё равно требует 
каналов длин волн для n пользователей, что делает масштабирование этой технологи практически невозможным.
Благодаря использованию плотного мультиплексирования с разделением по длине волны получилось создать сеть, использующую 16 каналов длины волны. Для сравнения, в предыдущей публикации этой группы учёных для создания сети с 8 пользователями им понадобилось 56 каналов.
Если разделить архитектуру на различные уровни абстракции, то на физическом уровне топология сети требует только одного волокна между пользователем и поставщиком услуг, в то время как на логическом уровне топология формирует связный граф между всеми 28 парами, которые можно составить из восьми пользователей.
Каждый пользователь получает четыре канала длин волн, обозначенных числом. При этом, было выбрано 16 каналов длин волн, симметрично расположенных относительно длины волны вырождения 1550,217 Нм, что соответствует 34 каналу МСЭ. На красной стороне спектра были использованы частотные каналы МСЭ 26-33, на синей – каналы 35-42. Из-за хорошо определенной длины волны накачки лазера и сохранения энергии при понижающем преобразовании, оказалось возможным получить поляризационную запутанность между парами каналов (26 и 42, 27 и 41, 28 и 40 и так далее).
Все пары пользователей соединены между собой через протокол BBM92, в котором фотоны, совместно используемые всеми другими пользователями, рассматриваются как фоновый шум. Узкое окно совпадения, гарантирует, что этот шум вносит лишь минимальный вклад в частоту квантовых битовых ошибок (QBER).
Проводим эксперименты
Эксперимент разделялся на 2 этапа. На первом этапе пользователи были подключены через волокно длиной около 10 м на территории лаборатории. В течение 18.45 часов собирались данные о скорости генерации ключа. Закрытый ключ вычислялся раз в 10 минут для того, чтобы параметр безопасности составил 
. Ниже приведена статистика для всех 28 пар пользователей.
Как можно заметить, некоторые пользователи соединены двумя фотонными парами. Например. Алиса и Гопи имеют пары <8, −8>и <2, −2>. Это помогает более эффективно управлять сетью, увеличивая скорость генерации ключа для определённых пользователей.
Поражаем результатом
Чтобы продемонстрировать функциональность на расстоянии, на 2 этапе эксперимента пользователей подключили через оптическое волокно в различных частях Бристоля, а способность передавать сообщения с помощью квантовой связи проверили при помощи существующей в городе волоконно-оптической сети.
Со стороны пользователя для подключения требовались только модуль поляризационного анализа и 2 однофотонных детектора. В итоге, на физическом уровне от пользователя требуются минимальные ресурсы для подключения, в то время как на логическом уровне каждая пара пользователей всегда имеет общую запутанную пару фотонов.
Подводим итоги
В то время как на построение предыдущих квантовых систем требовались годы, а затраты исчислялись миллионами или даже миллиардами фунтов стерлингов, эта сеть была создана за нескольких месяцев менее чем за 300 000 фунтов стерлингов. Выгода становится более наглядной по мере расширения сети, например, создание квантовой сети на 100 пользователей могло стоить около 5 миллиардов фунтов стерлингов. В то же время, доктор Джоши считает, что технология мультиплексирования может сократить затраты примерно до 4,5 миллионов фунтов стерлингов, что составляет менее 1 процента!
В последние годы квантовая криптография успешно используется для защиты транзакций между банковскими центрами в Китае и для защиты голосов на выборах в Швейцарии. Однако его более широкое применение сдерживается исключительно масштабом задействованных ресурсов и связанных с этим расходов.
По словам доктора Джоши, человечество сделало огромный шаг к созданию безопасного аналога Интернета:
С таким масштабом экономии перспектива общедоступного квантового интернета становится всё менее туманной. Мы это доказали, и, продолжая совершенствовать наши методы мультиплексирования для оптимизации и совместного использования ресурсов в сети, мы могли бы рассчитывать на обслуживание не только сотен или тысяч, но и потенциально миллионов пользователей в недалеком будущем.