Квантовая передача информации. Квантовая связь без лишнего шума. Дополнительный бонус квантовой передачи данных

Квантовая физика предлагает нам принципиально новый способ защиты информации, надёжность которого основана не на сложности решения какой-либо математической задачи, а на фундаментальных законах природы. Практическая реализация квантовых линий связи – это квантовая криптография. В ней информация передается посредством элементарных частиц света - фотонов. Новое поколение вычислительных устройств - квантовых компьютеров - позволит взламывать криптографические ключи. Но даже если прибор с идеальной чувствительностью попытается получить информацию, передаваемую по квантовому каналу, он неизбежно изменит состояние фотона. Проще говоря, если кто-то попытается «подслушать» информацию, он неизбежно «испортит» передаваемое сообщение, и таким образом будет замечен. Иными словами, надежность квантовой криптографии математически строго доказана.

Наиболее высокого уровня развития этой технологии достигли несколько стран. Квантовую криптографию уровня TRL-9 (в данном случае, система успешно протестирована и функционирует в своей операционной среде) реализовали в США, Китае и Швейцарии. Устройства зарубежных производителей способны передавать квантовый ключ со скоростью генерации 10-300 кбит/с по городским сетям на расстояния до 80-100 км. Передача на более длинные расстояния пока достигается только в лабораторных экспериментах. Так, в совместной работе и в 2014 году была продемонстрирована принципиальная возможность передачи квантового ключа на расстояние 327 км, на тот момент это являлось рекордной дальностью.

Однако, в то время, как устройства квантовой криптографии уже приобретаются коммерческими банками Швейцарии, в России пока не создано коммерчески доступных устройств. Но в Российском Квантовом Центре промышленное устройство разрабатывается. Впервые в России продемонстрирован прототип квантового распределения ключа на протяженных городских сетях общего пользования длиной в 30 км. Это означает переход проекта на уровень TRL-7 (то есть, продемонстрирован прототип, наиболее приближенный к реальной системе). Срок готовности к серийному производству – конец 2017 года, планируемые характеристики устройства находятся на одном уровне с лучшими мировыми разработками.

Для того, чтобы полностью раскрыть потенциал квантовой криптографии, необходима ее сетевая реализация. Например, Китай выделил 560 млн. юаней (более 80 млн. долларов) на построение квантовой сети протяженностью 2000 км (300 км уже введено в эксплуатацию) с промежуточными защищенными серверами. Эта сеть состоит из цепочки в 32 пролета. А в США компании Battelle и ID Quantique построят квантовую сеть на 650 км с перспективой расширения до 10 000 км. В России также ожидается потребность в строительстве протяженных государственных сетей, защищенных этой технологией. Однако, для этого необходимо создать сопутствующие протоколы, аппаратную сеть и осуществить опытную эксплуатацию в режиме 24/7. Поэтому полный цикл разработки, испытаний и освоения техники потребителем, по опыту зарубежных коллег, требует не менее пяти лет.

Стоит отметить, что в настоящее время основным способом быстрой передачи данных является оптоволокно, но не всегда возможно установить непрерывную линию между двумя заданными пунктами или по крайне мере сделать это оперативно. Здесь также поможет квантовая криптография: секретную передачу данных между любыми двумя точками можно осуществить, установив передатчик или приёмник на искусственный спутник Земли. В этом случае важно расположение этих точек вблизи траектории спутника, а расстояние между ними не имеет значения. Летом 2016 года Китай уже запустил спутник, задача которого - демонстрация квантовой криптографии «Спутник-Земля» для глобального распределения квантового ключа. Проект разработки технологии, позволяющей в едином исполнении реализовывать спутниковую оптическую связь и квантовую криптографию, готовит и Российский Квантовый Центр. Будет создан микро спутник (6U CubeSat), который должен определить минимальную энергоемкость оптического сигнала для передачи данных «Спутник-Земля», продемонстрировать передачу данных на разных длинах волн и online передачу видео со спутника.

Да, все правильно, только на данный момент оборудование не обеспечивает идеальное состояние канала в силу чего, перехват возможен, плюс возможность PNS-атак, когда импульс содержит, много больше чем один фотон, злоумышленник может «незаметно» изъять часть импульсов, и проведя анализ может получить часть информации, при этом большая часть фотонов достигнет конечной точки. Хотя справедливости ради стоит сказать, что уже придумали как можно обнаружить и пресечь данный вид атаки. Но это все же не отменяет того, что данные алгоритмы не совершенны.

Тем более слова о том, что изобретение квантового компьютера позволит взломать все криптографические ключи фикция. Многие проблемы, на базе которых строят асимметричные криптоалгоритмы, ускоряются экспоненциально. Но для симметричных и для хеш-сумм достаточно просто удвоить длину ключа, т.к. Алгоритм Гровера требует O(sqrt(N)) операций для полного перебора N значений: вместо перебора 2^128 ключей потребуется (в теории) всего 2^64 квантовых операций (на практике есть проблемы с столь длительной обработкой квантового состояния).

Телеграф «убил» голубиную почту. Радио вытеснило проводной телеграф. Радио, конечно, никуда не исчезло, но появились другие технологии передачи данных – проводные и беспроводные. Поколения стандартов связи сменяют друг друга очень быстро: 10 лет назад мобильный интернет был роскошью, а теперь мы ждем появления 5G. В скором будущем нам понадобятся принципиально новые технологии, которые будут превосходить современные не меньше, чем радиотелеграф - голубей.

Что это может быть и как оно повлияет на всю мобильную связь - под катом.

Виртуальная реальность, обмен данными в умном городе с помощью интернета вещей, получение информации со спутников и из поселений, расположенных на других планетах Солнечной системы, и защита всего этого потока - такие задачи нельзя решить одним только новым стандартом связи.

Квантовая запутанность

Сегодня квантовая связь используется, например, в банковской сфере , где требуется соблюдение особых условий безопасности. Компании Id Quantique , MagiQ , Smart Quantum уже предлагают готовые криптосистемы. Квантовые технологии для обеспечения безопасности можно сравнить с ядерным оружием - это почти абсолютная защита, подразумевающая, правда, серьезные затраты на реализацию. Если с помощью квантовой запутанности передать ключ шифрования, то его перехват не даст злоумышленникам никакой ценной информации - на выходе они получат просто другой набор цифр, потому что состояние системы, в которую вмешивается внешний наблюдатель, меняется.

Создать глобальную совершенную систему шифрования до недавнего времени не удавалось - уже через несколько десятков километров передаваемый сигнал затухал. Предпринимали много попыток увеличить это расстояние. В этом году Китай запустил спутник QSS (Quantum experiments at Space Scale), который должен реализовать схемы квантового распределения ключа на расстоянии более 7000 километров.

Спутник будет генерировать два запутанных фотона и отправлять на Землю. Если всё пройдет удачно, то распределение ключа при помощи запутанных частиц станет началом эры квантовой связи. Десятки таких спутников смогли бы стать основой не только нового квантового интернета на Земле, но и квантовой связи в космосе: для будущих поселений на Луне и Марсе и для дальней космической связи со спутниками, направляющимися за пределы Солнечной системы.

Квантовая телепортация

Устройство для квантового распределения ключа в лабораторных условиях, Российский квантовый центр.

При квантовой телепортации никакого материального переноса объекта из пункта А в пункт Б не происходит - происходит передача «информации», а не вещества или энергии. Телепортация используется для квантовых коммуникаций, например для передачи секретной информации. Надо понимать, что это не информация в привычном нам виде. Упрощая модель квантовой телепортации, можно сказать, что она позволит генерировать последовательность случайных чисел на обоих концах канала, то есть мы сможем создать шифроблокнот , который нельзя перехватить. В обозримом будущем это единственное, что можно сделать с помощью квантовой телепортации.

Впервые в мире телепортация фотона состоялась в 1997 году. Спустя два десятилетия телепортация по оптоволоконным сетям стала возможна на десятки километров (в рамках Европейской программы в области квантовой криптографии рекорд составил 144 километра). Теоретически, уже сейчас в городе можно построить квантовую сеть. Однако есть существенная разница между лабораторными и реальными условиями. Оптоволоконный кабель подвергается перепадам температур, из-за чего меняется коэффициент преломления. Из-за воздействия солнца может сдвинуться фаза фотона, что в определенных протоколах приведёт к ошибке.

, лаборатория квантовой криптографии.

Эксперименты ведутся по всему миру, в том числе и в России. Несколько лет назад появилась первая в стране линия квантовой связи. Она связала два корпуса университета ИТМО в Санкт-Петербурге. В 2016 году ученые из Казанского квантового центра КНИТУ-КАИ и университета ИТМО запустили первую в стране многоузловую квантовую сеть, добившись скорости генерирования просеянных квантовых последовательностей в 117 кбит/c на линии протяжённостью 2,5 километра.

В текущем году появилась и первая коммерческая линия связи - Российский квантовый центр связал офисы «Газпромбанка» на расстоянии 30 километров.

Осенью физики лаборатории квантовых оптических технологий МГУ и Фонд перспективных исследований испытали автоматическую систему квантовой коммуникации на расстоянии 32 километра, между Ногинском и Павловским Посадом.

С учётом темпов создания проектов в области квантовых вычислений и передачи данных, через 5-10 лет (по мнению самих физиков) технология квантовой коммуникации окончательно выйдет из лабораторий и станет такой же привычной, как мобильная связь.

Возможные недостатки

(с) Is Quantum Communication Possible

В последние годы всё чаще обсуждают вопрос информационной безопасности в сфере квантовой связи. Раньше считалось, что с помощью квантовой криптографии можно передавать информацию таким образом, что её нельзя перехватить ни при каких обстоятельствах. Оказалось, что абсолютно надежных систем не существует: физики из Швеции продемонстрировали, что при некоторых условиях квантовые системы связи можно взломать благодаря некоторым особенностям в подготовке квантового шифра. Кроме того, физики из Калифорнийского университета предложили метод слабых квантовых измерений, который фактически нарушает принцип наблюдателя и позволяет вычислить состояние квантовой системы по косвенным данным.

Впрочем, наличие уязвимостей - это не повод отказываться от самой идеи квантовой связи. Гонка между злоумышленниками и разработчиками (учеными) продолжится на принципиально новом уровне: с использованием оборудования с высокими вычислительными мощностями. Такое оснащение по силам далеко не каждому хакеру. Кроме того, квантовые эффекты, возможно, позволят ускорить передачу данных . С помощью запутанных фотонов можно передавать почти вдвое больше информации в единицу времени, если их дополнительно кодировать с помощью направления поляризации.

Квантовая связь - не панацея, но пока она остается одним из самых перспективных направлений развития глобальных коммуникаций.

Квантовая запутанность

Квантовая телепортация

Устройство для квантового распределения ключа в лабораторных условиях, Российский квантовый центр.

, лаборатория квантовой криптографии.

Возможные недостатки

(с) Is Quantum Communication Possible

Развитие экспериментальной квантовой физики в последние десятилетия привело к интересным результатам. Абстрактные идеи постепенно находят практическое применение. В области квантовой оптики это, прежде всего, создание квантового компьютера и телекоммуникаций на основе квантовой криптографии - технология, наиболее близкая к реализации.

Современные оптические линии связи не гарантируют конфиденциальность передаваемой информации, поскольку по оптоволоконным линиям движутся миллионы фотонов, во многом дублирующих друг друга, и часть из них можно перехватить незаметно для адресата.

Квантовая криптография использует в качестве носителя информации одиночные фотоны, поэтому при их перехвате они не дойдут до адресата, что сразу же станет сигналом о происходящем шпионаже.

Чтобы скрыть перехват, шпион должен измерить квантовое состояние фотона (поляризацию или фазу) и послать адресату «дубликат». Но согласно законам квантовой механики это невозможно, поскольку любое произведенное измерение изменяет состояние фотона, то есть не дает возможности создать его «клон».

Это обстоятельство гарантирует полную секретность передачи данных, поэтому подобные системы постепенно начинают использоваться в мире секретными службами и банковскими сетями.

Первый протокол квантовой криптографии изобрели американские ученые Чарльз Беннет и Джил Брассард в 1984 году, поэтому его называют ВВ84. Спустя пять лет они создали такую систему в исследовательском центре IBM, разместив передатчик и приемник в светонепроницаемом кожухе на расстоянии всего 30 см друг от друга. Система управлялась с персонального компьютера и позволяла обмениваться по воздушному каналу (без кабеля) секретным ключом со скоростью 10 бит/с.

Очень медленно и совсем недалеко, но это был первый шаг.

Суть протокола ВВ84 в передаче фотонов с поляризацией в четырех возможных направлениях. Два направления вертикально-горизонтальных и два диагональных (под углами плюс-минус 45 градусов). Отправитель и получатель договариваются, что, допустим, вертикальная поляризация и поляризация под углом плюс 45 градусов соответствуют логическому нулю, а горизонтальная и минус 45 градусов - единице. Затем отправитель посылает адресату последовательность одиночных фотонов, поляризованных в одном из этих направлений случайным образом, а адресат по открытому каналу связи сообщает, в какой системе координат (поляризаций) он измерил полученные лучи, но не сообщает результат своих измерений. Поскольку каждый фотон может быть как нулем, так и единицей, для перехватчика эта открытая информация бесполезна. Отправитель сообщает, верно ли выбрана система координат для каждого фотона. Затем они записывают совпавшую последовательность, которая и становится для них готовым двоичным кодом - секретным ключом расшифровки данных. Теперь все зашифрованные данные можно передавать по открытым сетям.

Изобретение вызвало огромный интерес во всем мире.

Кодирование фотонов по поляризациям используется в экспериментальных атмосферных линиях связи, поскольку при распространении излучения через атмосферу поляризация излучения изменится незначительно, а для подавления солнечного или лунного света применяют спектральные, пространственные и временные фильтры. В первой экспериментальной установке в 1992 году расстояние между передатчиком и приемником (длина квантового канала) было всего 30 см, в 2001 году — уже почти 2 км. Еще через год за рубежом продемонстрировали передачу ключа на расстояния, превышающие эффективную толщину атмосферы, - 10 км и 23 км. В 2007-м ключ передали на 144 км, а в 2008-м отраженный однофотонный сигнал от лазерного импульса со спутника был зарегистрирован на Земле.

Для генерации одиночных фотонов используется сильно ослабленное излучение полупроводниковых лазеров. Но можно применить и источники одиночных фотонов - однофотонные излучатели на квантовых точках, разработанные в Институте физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН. Это полупроводниковые структуры, позволяющие выделять излучение только одной квантовой точки. Поскольку для секретности передачи нужно не более одного фотона в каждом лазерном импульсе, то к фотодетекторам приемного узла предъявляются высокие требования. Они должны обладать достаточно высокой вероятностью регистрации (более 10%), малыми шумами и высокой скоростью счета.

Однофотонными детекторами могут служить лавинные фотодиоды, которые отличаются от обычных усилением электрических импульсов: в обычных фотодиодах на один падающий фотон рождается не больше одного электрона, а в лавинных фотодиодах - тысячи. При напряжении на фотодиоде свыше некоторого порогового и попадании на него фотона происходит лавинное размножение носителей заряда. Чем выше напряжение над порогом, тем больше вероятность регистрации фотона, но и сильнее шумы.

Чтобы снять эти шумы, их (детекторы) необходимо охлаждать до минус 50 градусов Цельсия специальным полупроводниковым микрохолодильником.

Но можно применять и сверхпроводящие детекторы из набора нанопроволок толщиной около 50 нм. Такие структуры находятся в переходном режиме от проводящего к сверхпроводящему. Прохождения одного фотона через этот детектор и его поглощения достаточно, чтобы разогреть нанопроволоки и изменить ток через них. По изменению тока регистрируется пришедший фотон. Сверхпроводящие детекторы гораздо меньше «шумят», чем лавинные фотодиоды. Зарубежные эксперименты со сверхпроводящими детекторами продемонстрировали максимальную дальность передачи квантового ключа — 250 км по сравнению со 150 км при использовании лавинных фотодиодов. Основной сдерживающий фактор для серийного применения сверхпроводящих детекторов - необходимость их глубокого охлаждения с помощью дорогостоящих гелиевых криостатов.

Дальность и скорость передачи информации ограничены возможностями оптоволоконных линий связи, эффективностью детекторов и уровнем их шумов.

Максимальная дальность передачи информации с помощью технологии квантовой криптографии по оптоволокну около 150 километров, но при таком расстоянии скорость передачи будет всего около 10 бит в секунду, а на пятидесяти километрах — примерно 10 кбит в секунду.

Поэтому квантовые линии связи имеют высокую ценность только для передачи конфиденциальных данных.

Для оптоволоконных линий связи применяются различные способы кодирования квантовых состояний фотонов. Одни из первых криптосистем работали на основе поляризационного кодирования, так же как для протокола ВВ84. Однако в обычном оптоволокне сильно искажается поляризация фотонов, так что наиболее популярно фазовое кодирование.

Современные коммерческие квантовые оптоволоконные криптосистемы используют двухпроходную оптическую схему и фазовое кодирование фотонов. Впервые эта система применена швейцарскими учеными в 2002 году. В ее схеме фотоны дважды проходят квантовый канал (оптоволокно длиной в десятки километров) — сначала в виде многофотонного лазерного импульса от приемника к передатчику, а затем на стороне передатчика они отражаются от так называемого зеркала Фарадея, ослабляются до уровня одиночных фотонов и отправляются обратно через квантовый канал к приемнику. Зеркало Фарадея «поворачивает» поляризацию (направление) отраженных фотонов на 90 градусов за счет эффекта Фарадея (поворот поляризации) в специальном магнитооптическом стекле, помещенном в магнитное поле. А на обратном пути к приемнику все поляризационные и фазовые искажения фотонов в квантовом канале претерпевают обратные изменения, то есть автоматически компенсируются. Технология не требует настройки квантового канала и позволяет работать со стандартными оптоволоконными линиями связи.

Сегодня именно такая экспериментальная линия связи в России создана в новосибирском Институте физики полупроводников, где сейчас проходит тестирование и доводку с квантовым каналом длиной 25 км (предполагается увеличить его длину до 100 км).

Особенность созданной системы - применение специально разработанных быстродействующих контроллеров, которые управляют ее настройкой и работой в автоматическом режиме. Этих систем разработано всего несколько в мире, причем, технология их реализации не раскрывается, так что единственный путь внедрения квантовых линий связи в нашей стране - это собственная отечественная разработка.

Подготовила Мария Роговая (Новосибирск )

Квантовая запутанность

(с) New Experiment Allow Us To “See” Quantum Entanglement With The Naked Eye . На самом деле мы не можем увидеть квантовую запутанность, но красивая визуализация помогает понять суть явления.

Один из основных вариантов ожидающей нас эволюции связи - использование квантовых эффектов. Эта технология не исключит, но может дополнить традиционные виды связи (хотя нельзя сходу отвергнуть идею, что сеть на основе квантовой запутанности , теоретически, может вытеснить остальные виды связи).

Квантовая запутанность - это явление связи квантовых характеристик. Связь может сохраняться, даже если частицы расходятся на большое расстояние, так как, измеряя квантовые характеристики одной из связанных частиц, мы автоматически узнаем характеристики и второй. Первый протокол квантовой криптографии появился ещё в 1984 году. С тех пор создано множество как экспериментальных, так и коммерческих систем, основанных на явлениях квантового мира.

(с) Chinese Academy of Sciences