Квантовые сети: что разрабатывают в России и за рубежом

В прошлом материале ^[1] мы говорили о перспективах квантовых сетей и сложностях, которые стоят перед их разработчиками. Сегодня расскажем, над какими проектами занимаются отечественные и иностранные исследователи. Если вам интересна эта тема, приглашаем под кат.

^[2]
/ Flickr / Groman123 ^[3] / CC BY-SA ^[4]

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 ^[5] (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 ^[6] система Navajo от MagiQ Technologies ^[7], которую используют NASA. Система использует протокол квантового распределения ключа BB84 ^[8]. 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 ^[9], 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 ^[10]). 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 ^[11], 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 ^[12] квантовых систем распределения криптографических ключей. Например, в прошлом году китайские инженеры совершили первую в истории квантовую телепортацию при передаче данных из космоса ^[13].

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 ^[14] с применением квантовой связи.

/ Flickr / Jeremy Atkinson ^[15] / CC BY ^[16]

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 ^[17]. 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 ^[18], 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.

Автор: VASExperts

Источник ^[22]