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 занимаются отечественные и иностранные исследователи. Если вам интересна эта тема, приглашаем под кат.

/ Flickr / Groman123 / CC BY-SA

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.

Автор: VASExperts

Источник