Квантовый интернет Перспективная сеть на невероятной основе

Несмотря на то, что квантовые вычисления пока остаются в поле лабораторных экспериментов, самим фактом своего появления они уже изменили мир. Человечество с надеждой и опаской смотрит на открывающуюся крышку шкатулки квантовой Пандоры. Что оттуда вылезет, пока не до конца понятно, очевидно одно – назад ее будет уже не закрыть.

«Квантовый интернет» является «опережающим следствием» появления квантовых компьютеров. Как следствие может опережать причину? В квантовой физике еще и не такое бывает! Но в практической плоскости все тривиально – квантовых компьютеров еще толком нет, но к их появлению все должно быть готово.

Зачем интернету кванты

Квантовый интернет вызывает большой энтузиазм ученых и может коренным образом изменить роль информации в нашей жизни, но его ускоренная разработка стала отчасти вынужденным шагом. Дело в том, что квантовые вычисления переворачивают современные представления о безопасности.

Мы уже писали о том, как работают квантовые компьютеры:

Одно из важнейших следствий их появления – существующие методы шифрования информации, в том числе такой общеупотребительный, как RSA, становятся недостаточно надежны. Большинство систем криптографии, обеспечивающих безопасность подключения к Интернету, основаны на математических задачах, которые было бы непрактично решать с помощью классических компьютеров, таких как факторизация больших простых чисел. Для обычных компьютеров это годы вычислений, для квантовых – часы. Пока квантовых компьютеров слишком мало, их производительность невысока, но динамика развития позволяет предположить, что осталось недолго.

Поэтому наличие квантовых вычислительных систем требует квантового же интернета, который будет построен по другому принципу.

И квантификация всей сети!

Квантовый интернет – это гипотетическая сеть будущего, позволяющая обмениваться информацией в среде, работающей на основе правил квантовой механики. Это подразумевает новый уровень эффективности, которого просто невозможно достичь с помощью интернета на классических компьютерах, но соединять она может не только квантовые, но и другие устройства.

Квантовые сети имеют много интересных особенностей, но в практическом смысле они сводятся к двум основным преимуществам. Первое из них – принципиальная невзламываемость квантового шифрования, что выводит безопасность на новый уровень. В отличие от классических ключей, устойчивость которых относительна (любой ключ может быть вскрыт при условии достаточного времени и приложенных вычислительных мощностей, просто обычно эти условия делают взлом нерациональным), квантовые ключи защищены законами физики.

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. При этом легко определить, были ли данные скомпрометированы, поскольку прерывание процесса третьей стороной приводит к коллапсу кубитов.

Попытка доступа к значению кубита – это квантовый «акт наблюдателя», который нарушает его суперпозицию. Кубит изменит свое состояние, что станет сигналом взлома данных.

Несмотря на то, что квантовые вычисления в самом начале пути, квантовое шифрование уже работает – первый QKD банковский перевод был сделан еще в 2004 году. Теоретически эта технология может быть использована для отправки сообщений в чисто квантовой форме, но до этого еще далеко. Однако возможность создать парк принципиально невзламываемых ключей для шифрования классического информационного пакета саму по себе невозможно переоценить.

Вторая перспективная возможность для квантовых сетей – использование «квантовой запутанности». Два кубита могут быть синхронизированы («запутаны»), и их состояние будет взаимно изменяться вне зависимости от разделяющего их расстояния без затраты времени на взаимодействие, то есть моментально. В некотором смысле они являются одним кубитом, поэтому ограничение скорости передачи скоростью света на них не распространяется. Более того, между ними может не быть никакой физической линии связи. Это звучит как магия, но это физика.

Теоретически это позволяет создать квантовые сети моментального действия, работающие без физических задержек сигнала. Они востребованы, например, для синхронизации радиотелескопов, что дало бы более четкую картинку астрономам; для синхронизации атомных часов спутников геолокации и детекторов гравитационных волн, а также для многих других задач. (Снижение лагов в онлайн-играх в их число пока не входит, но кто знает?)

Самая грандиозная перспектива квантовой связи – соединение квантовых компьютеров в один квантовый суперкомпьютер. Последствия этого непредсказуемы, но и произойдет это не завтра.

Квантовые трудности

Разумеется, где перспективы, там и трудности. Основная проблема практического создания квантовых сетей – современные линии связи для них подходят очень ограниченно. Например, оптические кабели не полностью прозрачны. Даже при оптимальной длине волны на 50 километров оптика поглощает 90% фотонов. Чтобы преодолеть это ограничение, сигнал классических сетей проходит через цепочку усилителей. Однако для квантового сигнала это не подходит. Для кубита каждый усилитель является «наблюдателем», который изменяет состояние кубита и разрушает суперпозицию: этакий Шредингер, который стоит у конвейера, по которому едут коробки с котами из известного парадокса, и открывает каждую из них. Это одновременно и преимущество квантовой связи, которое делает ее «неподслушиваемой», и ее недостаток, ограничивающий дальность передачи длиной неразрывного проводника.

Это может быть преодолено «доверенными узлами» – они как бы «перепаковывают котиков в новые коробки», восстанавливая суперпозицию кубитов. Минус – они получают доступ к шифрованной информации. Второй способ – устройство, называемое «квантовым ретранслятором» (или «повторителем»), который соединяет два кубита, чтобы объединить их (это называется «обмен связями»). Его создание требует так называемой «квантовой памяти» ввода и вывода, которая может «захватывать» передающийся кубит и «удерживать» его до тех пор, пока он не понадобится для одновременного измерения. На сегодня эта задача не решена, хотя группа Идена Фигероа в Университете Стоуни-Брук в Нью-Йорке сообщает о прогрессе в этой области.

Помимо технических проблем у квантового интернета есть и юридическая – законы почти всех развитых стран запрещают создание криптостойкого шифрования без бэкдоров. У каждого алгоритма, системы и так далее должен быть предусмотрен доступ для спецслужб – чтобы им не могли воспользоваться злодеи. Квантовое шифрование исключает такую возможность на уровне физики, и это парадокс не хуже кота Шредингера. Как он будет разрешен – пока непонятно.

Квантовые перспективы

У квантовых сетей есть преимущество перед квантовыми компьютерами. Их можно создавать шаг за шагом, добавляя квантовые функции к обычным сетям. В ближайшем будущем квантовый интернет будет не отдельной сетевой структурой, а дополнительным функционалом поверх существующего. Пользователи будут большую часть времени работать с обычной сетью с обычного компьютера, а подключаться к квантовой только для конкретных задач (например, финансовых операций). В настоящее время многие производители разрабатывают чипы, которые могут позволить классическому компьютеру подключаться к квантовой сети.

Основная проблема – дефицит подходящей инфраструктуры, в том числе современных оптоволоконных кабелей. По оценке ученых, это задержит распространение квантового интернета примерно на десятилетие, а подключение пользователей в крупных городах займет еще пять-десять лет.

Тем не менее, на сегодня имеются вполне значительные практические наработки в области квантовых сетей.

Китай добился прогресса в области применения квантового распределения ключей (QKD) на расстоянии 745 миль – лучший на сегодняшний день результат.

В России начала работу первая линия квантовой связи. Она имеет протяженность 700 км, что делает ее самой крупной в Европе. Строительство вели РЖД на базе собственных оптоволоконных сетей, и к 2024 году протяженность линий квантовой связи возрастет до 7000 км.

ЕС учредил для разработки стратегии квантового интернета Quantum Internet Alliance и достиг запутанности на расстоянии 31 мили.

Министерство обороны США разработало запутывание 52-мильной «квантовой петли», которая, по прогнозам, будет масштабирована до 80-мильной.

Есть ряд мелких квантовых сетей в Токио (Япония), Калгари (Канада) и Лос-Аламос (Нью-Мексико). У них всего по два или три узла, но некоторые из них достигают протяженности более 100 километров.

Квантовый интернет не придет моментально, но будет наступать шаг за шагом.