Перспективы квантовых сетей: кто ими занимается и почему

Над какими квантовыми проектами работают российские и иностранные инженеры. 11 Сентябрь 2019, 10:17

Что такое квантовые сети

Квантовыми сетями называют системы передачи данных, принцип работы которых строится на законах квантовой механики. Информация в таких сетях передается по оптоволоконным кабелям с помощью кубитов — поляризованных фотонов. Одно из определяющих свойств фотонов — «хрупкость». Они разрушаются при считывании, поэтому квантовые сети практически невозможно прослушать. Даже если злоумышленник проведет MITM-атаку и подключится к каналу передачи данных, принимающая сторона сразу поймет, что канал скомпрометирован, так как к ней поступят «пакеты» с большим количеством ошибок.

Квантовые сети используют для распределения криптографических ключей между классическими вычислительными системами. Например, в прошлом году такую систему запустили китайские инженеры. Она использует лазеры для обмена данными со спутниками на орбите. Аналогичную технологию в 2017-м предложили немецкие специалисты — для передачи данных они использовали уже существующую наземную инфраструктуру и аппаратное обеспечение спутников.
Другая область применения квантовых сетей — объединение квантовых компьютеров. Квантовые машины уже умеют решать некоторые задачи быстрее, чем классические вычислительные системы — например, в области машинного обучения и моделирования. Если объединить квантовые устройства в кластеры, можно дополнительно ускорить физические и химические симуляции (в частности, поспособствовать разработке сложных молекул для новых медикаментов).

Кто их разрабатывает

Развитием квантовых сетей занимаются многие мировые институты из Америки, Европы и Азии.

Считается, что самую первую квантовую сеть разработали в США по заказу DARPA еще в начале 2000-х. Она функционирует до сих пор и соединяет несколько военных лабораторий в штате Массачусетс. Примерно в то же время квантовые сети начали строить и в Европе. Тогда страны ЕС инвестировали несколько миллионов евро в проект SECOQC, в рамках которого проектируют квантовые решения для обеспечения государственной безопасности.
Одна из главных проблем квантовых сетей того времени — невозможность передать фотон на большое расстояние (оно редко превышало 50 км). Фотоны «хрупкие» и легко разрушаются под воздействием температуры (это так называемый эффект декогеренции). Поэтому сегодня активно разрабатываются системы, способные увеличить дальность передачи. Например, голландские инженеры создают специальные повторители, которые продлевают «время жизни» квантов. Ученые уже прокладывают тестовую сеть между Делфтом и Гаагой. Предположительно в следующем году она соединит сразу четыре города в Европе. Аналогичную технологию развивают специалисты из университетов Торонто, Осаки и Тоямы. В феврале 2019 года они представили концепцию квантового повторителя, способного передавать фотоны на расстояние до 800 км (в теории).

Разработками в этой области занимается команда физиков из США и Швейцарии. В конце прошлого года они представили фотодетектор с очень низким уровнем шума, который позволил отправить криптографический ключ на расстояние в 421 км и сохранить при этом высокую скорость передачи данных. По словам разработчиков, пропускная способность сети превзошла показатели их предыдущих экспериментов более, чем в 100 раз.
Но абсолютным рекордсменом по дальности сегодня считается Китай. В 2016 году китайские инженеры запустили спутник квантовой связи и передали кубит на расстояние свыше 1200 км. Прошлым летом с помощью этого спутника инженеры провели защищенный звонок между Китайской и Австрийской академиями наук.

Как дела в России

Одну из первых квантовых сетей в нашей стране развернули инженеры из ИТМО в 2014 году. Оптоволоконный кабель проложили между двумя корпусами вуза. Через два года с помощью коллег из Казани сеть стала многоузловой — четыре нода разместили на расстоянии 40 км друг от друга.

Три года назад свою квантовую сеть представили физики из РКЦ — Российского квантового центра. «Оптику» проложили между двумя московскими банками — длина кабеля составила 30 км. А этим летом физики из РКЦ объявили о создании первой межкорпоративной квантовой сети в РФ. Она соединила офисы «Сбербанка», «Газпромбанка» и компании PwC, предлагающей услуги в области консалтинга и аудита.

Другой пример разработки — в 2017 году специалисты из МГУ представили квантовую линию телефонной связи. Голосовая информация между собеседниками передавалась по оптоволоконному кабелю длиной 50 км. За её шифрование отвечал сервер распределения квантовых ключей, размещенный в 25 км.

Количество квантовых разработок продолжит увеличиваться. И это позволит создать крупные квантовые сети, которые соединят сразу множество городов страны. Буквально в прошлом месяце о своих планах развернуть квантовую сеть с шифрованием данных объявили в РЖД. По словам инициаторов проекта, она поспособствует повышению безопасности железнодорожного транспорта.