Автор: MaxRokatansky. Развитие сверхзащищенного квантового Интернета идет полным ходом. Он может коренным образом изменить роль информации в нашей жизни и создать всемирный квантовый суперкомпьютер.

Многие из наших сфер жизни идут онлайн. Банки, рабочая почта, социальные сети, анкеты знакомств, медицинские записи – все это жизненно важная и конфиденциальная информация. Так что тот факт, что в Интернете есть фатальная брешь в безопасности, совсем не радует.

Это способствует развитию нового, более безопасного Интернета с квантовой защитой. Эта система сможет сделать гораздо больше, чем просто защитить ваши данные. Она предоставит квантовые программы и может стать скелетом квантового компьютера невообразимой мощности по всему миру.

Развитие квантового Интернета – это огромная и многогранная инженерная задача, ее основы уже закладываются. Волоконно-оптические сети расширяются. Исследователи тайно болтают в локальных сетях. Планируется даже использовать небольшие спутники для квантовой связи на большие расстояния. Рано или поздно мы все сможем присоединиться к квантовой информационной супермагистрали.

Человеческая культура и промышленность издавна основывались на информации. Получение правильной информации, ее понимание и обмен дает нам силу и прибыль. Развитие Интернета утвердило роль информации, и мы только начинаем ощущать ее влияние.

В обычных компьютерах используются цифровые единицы – биты. Это объем информации, который поступает, например, в результате подбрасывания монеты, и обычно обозначается как 1 или 0. Все электронные письма, обновления статуса или фотографии на вашем телефоне состоят из битов.

Работа с кубитами

С точки зрения квантового мира такой метод очень ограничен, потому что здесь, как известно, частицы ведут себя очень странно. Атом, электрон или фотон могут находиться в состоянии, в котором его свойства не определены. Например, частицы могут иметь одновременно две энергии. Эти квантовые состояния чрезвычайно хрупкие, но, научившись ими манипулировать, частицы можно использовать для хранения единицы квантовой информации – кубита, который кодирует не только 0 либо 1, но и любую комбинацию 0 или 1.

Увеличивая нашу способность делать это, мы уже разработали впечатляющие технологии, такие как сверхчувствительные датчики силы тяжести и магнитного поля. Физики уже могут управлять десятками кубитов одновременно и разрабатывают прототипы квантовых компьютеров. По мере роста они обещают превзойти любые классические компьютеры, которые когда-либо могли быть созданы – по крайней мере, для определенных типов вычислений. Среди прочего, квантовые компьютеры должны уметь моделировать химические реакции, разрабатывать новые лекарства и современные материалы, а также решать запутанные инженерные и логистические проблемы. Их полный потенциал пока не известен.

Но мы знаем одно – с появлением этих невероятных машин нам понадобится квантовый Интернет, потому что именно квантовые компьютеры угрожают нашей безопасности.

Большинство схем шифрования, обеспечивающих безопасность подключения к Интернету, основаны на математических задачах, которые было бы непрактично решить с помощью классических компьютеров, таких как факторизация больших простых чисел. Но достаточно большой квантовый компьютер, использующий алгоритм, разработанный в 1994 году математиком Массачусетского технологического института Питером Шором, справился бы с такой задачей. Это подорвет безопасность всего, что связано с подключением к Интернету, от электронной почты до электросетей.

«Большая часть критически важной инфраструктуры по-прежнему зависит от этих алгоритмов, включая мой банк», – говорит Сиддхарт Джоши из Бристольского университета в Великобритании.

Столь опасно мощную квантовую машину, вероятно, можно будет ожидать не раньше, чем через 10–20 лет, но актуальность проблемы от этого не меньше. Изменение системы шифрования занимает много времени, и данные, которые вы сейчас отправляете, могут быть перехвачены, сохранены и дешифрованы, когда появятся достаточно мощные квантовые компьютеры.

Сиддхарт Джоши и другие хотят отбивать кубиты кубитами. При использовании квантовых состояний отдельных частиц для связи отправленные сообщения не могут быть украдены, потому что сам мониторинг сигнала изменяет чувствительные состояния. Это не заменит Интернет, а лишь дополнит уровень квантовой связи в нем, позволяющий пользователям обмениваться секретными ключами шифрования. Интернет-трафик будет продолжать передаваться по кабелям, как сейчас, и эти ключи будут зашифрованы и декодированы.

Такое квантовое шифрование, называемое квантовым распределением ключей (QKD), было продемонстрировано несколько раз за последние несколько десятилетий. Первый QKD банковский перевод был сделан в 2004 году. Существует множество различных схем, но одна из самых безопасных основана на явлении квантового связывания.

Первоначально двум кубитам дается общее квантовое состояние, которое при правильном измерении предсказуемо изменяет результат измерения пары частиц, где бы эти две частицы ни находились. Предположим, эти два кубита – фотоны. Одна из парных пар с оптическим кабелем может быть заменена на безопасный ключ.

Связи, в которых используется гораздо больше связанных кубитов, можно было бы использовать еще более впечатляюще, скажем, для отправки сообщений в чисто квантовой форме. В краткосрочной перспективе возможности квантовых вычислений, вероятно, будут скромными и будут находиться далеко от, скажем, университетов или исследовательских центров. Но квантовые коммуникационные соединения могут соединить их всех с квантовым суперкомпьютером. Кроме того, пользователи смогут запускать программы на квантовых компьютерах таким образом, чтобы гарантировать их безопасность и не позволить шпионить за владельцами компьютеров. Это называется слепыми квантовыми вычислениями, поэтому любой может использовать квантовые компьютеры, не опасаясь утечки конфиденциальных данных.

Шепот бриллиантов

Зерно приближающегося квантового Интернета было посеяно в лаборатории в Делфте, Нидерланды. Там три маленьких ромба шепчутся друг с другом, образуя миниатюрный, но полностью функциональный прототип сети взаимосвязанных связей. Есть дефект в решетке атомов углерода каждого алмаза, в котором расположен один атом азота. Оттуда пара электронов может испустить связанный с ними фотон. Кроме того, каждый алмаз содержит один кубит квантовой памяти, что позволяет выполнять базовую обработку квантовой информации.

В статье, опубликованной Рональдом Хэнсоном и его командой из исследовательского института QuTech в Делфте, продемонстрировали объединение трех алмазов в сеть и передачу квантовой информации между ними. В принципе, эта технология может быть расширена, а возможность подключения может быть распределена между любым количеством узлов.

«Это основная функция, которую должен выполнять квантовый Интернет», – говорит Хэнсон.

Необязательно использовать бриллианты. Другие группы изучают другие способы создания и объединения кубитов. В Бристоле группа Джоши продемонстрировала способность распределять квантовые ключи среди восьми пользователей на расстоянии нескольких километров друг от друга, и все связанные фотоны были получены от одного и того же лазера. По словам Джоши, можно будет расширить зону покрытия в городе до нескольких сотен человек.

Пока что он продемонстрировал QKD и некоторые аналогичные протоколы, но уверяет, что с использованием более сложных модулей приема связанных фотонов сеть может поддерживать, среди прочего, слепые квантовые вычисления.

Есть ряд других, пока еще не развернутых квантовых сетей, таких как Токио (Япония), Калгари (Канада) и Лос-Аламос (Нью-Мексико). У них в основном всего два или три узла, и они ограничены QKD. Однако их радиус действия увеличивается, и некоторые из них достигают более 100 километров. Все мечтают расширить их и соединить миллионы пользователей по всему миру, предоставив сверхзащищенные пути шифрования в разные страны на всех континентах.

Это можно сделать с помощью существующей оптоволоконной сети, которая теперь передает весь Интернет-трафик и другие телекоммуникационные данные. Но есть серьезное препятствие: оптические кабели не полностью прозрачны. Даже при оптимальной длине волны света 50 километров оптических волокон поглощают около 90% фотонов. Таким образом, оптоволоконный квантовый Интернет может быть передан в лучшем случае на несколько сотен километров. В существующей волоконной оптике сигнал усиливается.

«Но квантовый сигнал не может быть отправлен через усилитель», – сказал Тим Спиллер из Йоркского университета, Великобритания, который возглавляет межведомственный центр квантовых коммуникаций в стране.

По сути, усилители измеряют сигнал, который, в свою очередь, теряет тонкие квантовые данные.

Чтобы расширить охват QKD, можно было бы полагаться на доверенные узлы, устройства, которые передают сообщение, сначала расшифровывая его и шифруя для пересылки в другой оптоволоконный сегмент. Китай уже построил впечатляющую сеть, магистраль протяженностью 2000 километров с 32 надежными узлами между Пекином и Шанхаем и сотнями соединений. Задача решена? Не совсем. Каждый узел представляет угрозу утечки сообщений. Более того, он не подходит для слепых квантовых вычислений, например, потому что исходная квантовая информация в каждом узле исчезает.

Устройство, называемое квантовым ретранслятором, необходимо для передачи квантовой информации повсюду. Представьте себе двух пользователей – Колю и Петю, которые хотят поговорить. Каждый из них создает пару связанных кубитов и отправляет одну из своих пар через квантовый повторитель посередине между ними. Повторитель одновременно выполняет определенные измерения состояний двух полученных кубитов, чтобы объединить их. Согласно правилам квантовой физики, он соединяет два кубита, оставленные Колей и Петей – процесс, называемый обменом связями. Выстраивая квантовые повторители, связанные кубиты могут быть намного дальше друг от друга.

О, если бы у нас были квантовые ретрансляторы. Они были в списке желаний ученых много лет, но оказалось очень сложно их создать. Но в Университете Стоуни-Брук в Нью-Йорке Иден Фигероа и его группа берутся за решение этой головоломки.

Важным компонентом этого устройства является так называемая квантовая память ввода и вывода, которая может захватывать летающий кубит и удерживать его до тех пор, пока он не понадобится для одновременного измерения. Квантовая память Фигероа основана на облаке атомов, которые могут проделывать такой трюк с фотоном. Это устройство также должно регистрировать захват фотонов, не нарушая чувствительного квантового состояния частицы. В прошлом году Фигероа и его коллеги показали, что они могут сделать это, послав еще один фотон, который очень слабо взаимодействует с защищенным фотоном.

Такая квантовая память имеет три основных практических преимущества. Это портативные 40-сантиметровые модули. Они работают при комнатной температуре, а не на морозе, где должно храниться большинство других устройств с атомным облаком. Кроме того, они могут работать на частотах, используемых в телекоммуникациях, как эта команда продемонстрировала в прошлом году, подключив два таких устройства на расстоянии 158 километров. «Мы приближаемся к обмену взаимосвязями, когда все должно работать вместе», – говорит Фигероа. Полезные репитеры не только должны будут все это делать, но и делать это очень качественно.

Даже с усиленными ретрансляторами волоконно-оптический квантовый Интернет не будет гладким. Теперь самые большие проблемы будут связаны с подключениями к океанскому дну, поскольку эти оптоволоконные кабели теперь оснащены усилителями сигналов, которые «убивают» кубиты. При прокладке специальных квантовых кабелей в них должны быть квантовые повторители, которые должны надежно работать долгое время.

Итак, исследователи обращают свой взор на спутниковые квантовые вязальщики. Китай является лидером в этой области, запустив в 2016 году спутник Micius с оборудованием квантовой связи.

«Когда Мициус встал, все сели», – говорит Дэниел Ои из Университета Стратклайда, Великобритания.

В 2017 году Micius зашифровал видеоконференцсвязь между Пекином и Веной, используя определенную версию QKD с высокой пропускной способностью, но сам спутник действует как надежный узел. Для некоторых пользователей это подойдет, например, правительствам или корпорациям, которые могут позволить себе использовать свои собственные спутники, но это не гарантирует безопасность для всех пользователей будущего широко подключенного квантового Интернета. Затем, в 2019 году, Micius использовался для создания связи между двумя наземными станциями в Китае, расположенными на расстоянии 1200 километров друг от друга, Nanshan и Delingha, путем перераспределения каждой пары связанных фотонов и отправки по одному на каждую станцию. Эта форма QKD чрезвычайно безопасна. Даже если спутник будет взломан, перехватить ключ не удастся.

Обратной стороной является то, что он работает медленно. Стороны могут использовать парную пару фотонов только тогда, когда они достигаются обоими фотонами, и при любой спутниковой связи большая часть света теряется, потому что фотоны не попадают в приемник или поглощаются атмосферой. Наземные станции Китая расположены высоко и используют в качестве приемников большие телескопы, а спутник генерирует около 6 миллионов пар связанных фотонов в секунду. Но даже в этом случае секретный ключ генерировался со скоростью лишь доли бит в секунду. Цзянь-Вэй Пан из Китайского университета науки и технологий Хэфэй, который работает с Micius, говорит, что теперь он работает над увеличением скорости с помощью некоторых улучшений, в том числе более ярких связанных источников света.

Квантовая сборка

И Пан, и Ои представляют себе сеть со множеством квантовых терминалов, включая корабли и самолеты.

«Если будет много наземных станций, несколько больших спутников не смогут обслуживать их все», – говорит Ох.

Вместо этого необходима разветвленная сеть малых спутников. Маршрут уже назван несколькими проектами, в том числе британо-сингапурской миссией SPEQTRE и спутником, разработанным частным консорциумом ROKS. Оба должны быть запущены в 2022 году.

Чтобы объединить все это оборудование в глобальную квантовую сеть, нам понадобится программное обеспечение, которое мы можем использовать в классическом Интернете.

Теперь данные передаются по нескольким сетям на уровне программного обеспечения, поэтому обычному пользователю не нужно об этом беспокоиться. Стефани Венер из QuTech – одна из создательниц квантовой сети. И самое интересное – гаджеты. Мы до сих пор не знаем, что они смогут сделать. Новые виды игр? Новые формы общения?

Когда эти необычные технологии окружают мир, мы можем сначала даже не заметить. Их влияние должно быть в основном при отсутствии проблем: мы не потеряем свои банковские счета, выборы не будут взломаны, свет не погаснет. В конечном итоге будет более ощутимая польза, особенно для науки. Благодаря каналам квантовых данных телескопы могли бы обмениваться информацией без каких-либо задержек, а астрономы могли получить более четкое изображение Вселенной. Они могли более точно синхронизировать атомные часы и, таким образом, повысить чувствительность детекторов гравитационных волн. Не говоря уже о соединении квантовых компьютеров, увеличивая их мощность.

«Квантовая сеть, с другой стороны, еще больше заслонит темную сеть, и некоторые не откажутся от нее. Террористы могут использовать слепые квантовые вычисления для создания нового оружия – и никто об этом не узнает. Правительство могло бы установить резервный вход к такому оборудованию, «но это вообще все обесценит», – говорит Венер.

Возможно, эта новая форма Интернета сделает мир безопаснее, а может и более опасным…