Квантова зв'язок: перспективи


© New quantum dot could make quantum communications possible

Телеграф «вбив» голубину пошту. Радіо витіснило провідний телеграф. Радіо, звичайно, нікуди не зникло, але з'явилися інші технології передачі даних – дротові і бездротові. Покоління стандартів зв'язку змінюють один одного дуже швидко: 10 років тому мобільний інтернет був розкішшю, а тепер ми чекаємо появи 5G. В недалекому майбутньому нам знадобляться принципово нові технології, які будуть перевершувати сучасні не менше, ніж радиотелеграф — голубів.

Що це може бути і як воно вплине на всю мобільний зв'язок — під катом.

Віртуальна реальність, обмін даними в розумному місті з допомогою інтернету речей, отримання інформації із супутників і з поселень, розташованих на інших планетах Сонячної системи, і захист усього цього потоку — такі завдання можна вирішити тільки одним новим стандартом зв'язку.

Квантова заплутаність

© New Experiment Allow Us To See" Quantum Entanglement With The Naked Eye. Насправді ми не можемо побачити квантова заплутаність, але красива візуалізація допомагає зрозуміти суть явища.

Один з основних варіантів очікує нас еволюції зв'язку — використання квантових ефектів. Ця технологія не виключить, але може доповнити традиційні види зв'язку (хоча не можна відразу відкинути ідею, що мережа на основі квантової заплутаності, теоретично, може витіснити інші види зв'язку).

Квантова заплутаність — це явище зв'язку квантових характеристик. Зв'язок може зберігатися, навіть якщо частинки розходяться на велику відстань, так як, вимірюючи квантові характеристики однієї з пов'язаних частинок, ми автоматично дізнаємося характеристики і другий. Перший протокол квантової криптографії з'явився ще в 1984 році. З тих пір створено безліч як експериментальних, так і комерційних систем, заснованих на явищах квантового світу.


© Chinese Academy of Sciences

Сьогодні квантова зв'язок використовується, наприклад, в банківській сфері, де потрібне дотримання особливих умов безпеки. Компанії Quantique, MagiQ, Smart Quantum вже пропонують готові криптосистеми. Квантові технології для забезпечення безпеки можна порівняти з ядерною зброєю — це майже абсолютна захист, що передбачає, правда, серйозні витрати на реалізацію. Якщо з допомогою квантової заплутаності передати ключ шифрування, то його перехоплення не дасть зловмисникам ніякої цінної інформації — на виході вони отримають просто інший набір цифр, тому що стан системи, в яку втручається зовнішній спостерігач, змінюється.

Створити глобальну досконалу систему шифрування донедавна не вдавалося — вже через кілька десятків кілометрів передається сигнал згасав. Робили багато спроб збільшити цю відстань. У цьому році Китай запустив супутник QSS (Quantum experiments at Space Scale), який повинен реалізувати схеми квантового розподілу ключа на відстані понад 7000 кілометрів.

Супутник буде генерувати два заплутаних фотона і відправляти на Землю. Якщо все пройде вдало, то розподіл ключа за допомогою заплутаних часток стане початком ери квантової зв'язку. Десятки таких супутників змогли б стати основою не тільки нового квантового інтернету на Землі, але і квантової зв'язку в космосі: для майбутніх поселень на Місяці і Марсі та для дальньої космічного зв'язку із супутниками, направляющимися за межі Сонячної системи.

Квантова телепортація

Пристрій для квантового розподілу ключа в лабораторних умовах, Російський квантовий центр.

При квантової телепортації ніякого матеріального перенесення об'єкта з пункту А в пункт Б не відбувається — відбувається передача інформації, а не речовини або енергії. Телепортація використовується для квантових комунікацій, наприклад для передачі секретної інформації. Треба розуміти, що це не інформація в звичному нам вигляді. Спрощуючи модель квантової телепортації, можна сказати, що вона дозволить генерувати послідовність випадкових чисел на обох кінцях каналу, тобто ми зможемо створити шифроблокнот, який не можна перехопити. В найближчому майбутньому це єдине, що можна зробити за допомогою квантової телепортації.

Вперше в світі телепортація фотона відбулася в 1997 році. Через два десятиліття телепортація по оптоволоконних мереж стала можлива на десятки кілометрів (у рамках Європейської програми в галузі квантової криптографії рекорд становив 144 кілометри). Теоретично, вже зараз в місті можна побудувати квантову мережу. Проте є суттєва різниця між лабораторними і реальними умовами. Оптоволоконний кабель піддається перепадам температур, з-за чого змінюється коефіцієнт заломлення. Через вплив сонця може зрушити фаза фотона, що в певних протоколах призведе до помилки.


Казанський Квантовий Центр, лабораторія квантової криптографії.

Експерименти ведуться по всьому світу, в тому числі і в Росії. Кілька років тому з'явилася перша в країні лінія квантової зв'язку. Вона зв'язала два корпуси університету ІТМО в Санкт-Петербурзі. У 2016 році вчені з Казанського квантового центру КНИТУ-КАЇ і університету ІТМО запустили першу в країні многоузловую квантову мережу, досягнувши швидкості генерування просіяної квантових послідовностей в 117 кбіт/c на лінії протяжністю 2,5 кілометри.

У поточному році з'явилася перша комерційна лінія зв'язку — Російський квантовий центр пов'язав офіси «Газпромбанку» на відстані 30 кілометрів.

Восени лабораторії фізики квантових оптичних технологій МДУ і Фонд перспективних досліджень випробували автоматичну систему квантової комунікації на відстані 32 кілометри, між Ногінському і Павловським Посадом.

З урахуванням темпів створення проектів в області квантових обчислень і передачі даних, через 5-10 років (на думку самих фізиків) технологія квантової комунікації остаточно вийде з лабораторій і стане такою ж звичною, як мобільний зв'язок.

Можливі недоліки

© Is Quantum Communication Possible

В останні роки все частіше обговорюють питання інформаційної безпеки у сфері квантової зв'язку. Раніше вважалося, що за допомогою квантової криптографії можна передавати інформацію таким чином, що її не можна перехопити ні за яких обставин. Виявилося, що абсолютно надійних систем не існує: фізики з Швеції продемонстрували, що при деяких умовах квантові системи зв'язку можна зламати завдяки деяким особливостям у підготовці квантового шифру. Крім того, фізики з Каліфорнійського університету запропонували метод слабких квантових вимірювань, який фактично порушує принцип спостерігача і дозволяє обчислити стан квантової системи за непрямими даними.

Втім, наявність вразливостей — це не привід відмовлятися від самої ідеї квантової зв'язку. Гонка між зловмисниками та розробниками (вченими) продовжиться на принципово новому рівні з використанням обладнання з високими обчислювальними потужностями. Таке оснащення під силу далеко не кожному хакеру. Крім того, квантові ефекти, можливо, дозволять прискорити передачу даних. З допомогою заплутаних фотонів можна передавати майже вдвічі більше інформації в одиницю часу, якщо їх додатково кодувати з допомогою напрямки поляризації.

Квантова зв'язок — не панацея, але поки що вона залишається одним з найбільш перспективних напрямків розвитку глобальних комунікацій.
Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.