Представьте себе такую линию связи, которую невозможно прослушать. Вообще никак. Что бы ни делал злоумышленник и кем бы он ни был, попытки взломать защиту к успеху не приведут. Устройства для такой передачи данных, использующей принципы квантовой криптографии, создают в ООО «Квантовые коммуникации» – малом инновационном предприятии при Университете ИТМО. Генеральный директор предприятия и руководитель университетской лаборатории квантовой информатики Международного института фотоники и оптоинформатики Артур Глейм участвовал в XII Международных чтениях по квантовой оптике (IWQO-2015) в Москве и подмосковном Троицке, где он выступил с докладом о квантовой рассылке ключа шифрования на так называемых боковых частотах. О том, как этот способ позволяет улучшить качество передачи данных и как вообще работают квантовые коммуникации, Артур Глейм рассказывает в интервью нашему порталу.

Что такое квантовая криптография и зачем она нужна?

Главная идея квантовой криптографии – передавать информацию таким образом, чтобы ее было нельзя перехватить. Причем это должно быть невозможно не потому, что алгоритмы шифрования слишком сложные, и не из-за того, что злоумышленник не располагает достаточно высокими вычислительными мощностями. Мы строим систему передачи данных так, что ее взлом противоречит законам физики.

Если мы управляем какой-то системой, которую потенциально может нарушить злоумышленник, нам нужно передавать данные доверенным образом. Это могут быть, например, решения, связанные с финансами, коммерческой тайной, государственными задачами и так далее. Квантовая криптография, квантовая связь и квантовые коммуникации решают задачу так, что перехватывать информацию ограниченного доступа запрещает сама природа. Сигналы передаются по линиям связи не в классическом виде, а с помощью потока одиночных фотонов. Фотон нельзя разделить или измерить, скопировать или незаметно отвести в сторону. Он из-за этого однозначно разрушается и не доходит до принимающей стороны.

Ключевой вопрос в том, как сделать это эффективно, так как мы используем не идеальную систему, а физические линии связи – оптическое волокно или открытое пространство. На пути к получателю на фотон может воздействовать много факторов, которые могут его разрушить. Так как мы говорим о практическом применении, нас интересует скорость передачи данных между такими системами и максимальное расстояние, на которое мы можем разнести узлы. Это основные предметы разработки различных подходов, идей и принципов построения систем квантовой криптографии: эффективность использования канала передачи данных, пропускная способность и уменьшение количества повторителей, а главное – наивысший уровень защищенности и безопасности канала. В основе квантовой криптографии лежит тезис о том, что злоумышленник может пытаться делать что угодно, использовать любые инструментарий и оборудование – хотя бы технику пришельцев, но перехватить данные он не должен. А на базовый принцип уже «накручиваются» технические решения.

На каких физических принципах основывается квантовая коммуникация?

Существует несколько схем реализации этих принципов, разные подходы, которые вносят свои возможности по увеличению скорости и дальности передачи сообщений. Системы квантовой криптографии давно производятся коммерческими компаниями. Но специалисты Университета ИТМО предложили новый принцип, который иначе формулирует понятие квантового состояния, «способа приготовления» фотона как порции излучения, чтобы он был более устойчивым к внешним воздействиям, система связи не требовала дополнительных средств организации устойчивой передачи и не несла в себе явных ограничений на скорость модуляции сигнала со стороны отправителя и получателя. Мы выносим квантовые сигналы на так называемые боковые частоты, это позволяет значительно расширить возможности по скорости и снять явные ограничения по дальности, присущие уже принятым схемам.

Чтобы понять, в чем отличие вашего метода, давайте все-таки начнем с принципов работы классических схем.

Обычно люди, когда строят системы квантовой связи, генерируют слабый импульс, эквивалентный или близкий к энергии одиночного фотона, и отправляют его по линии связи. Чтобы закодировать в импульсе квантовую информацию, проводят модуляцию сигнала – изменяют поляризацию или фазовое состояние. Если мы говорим про волоконно-оптические линии связи, для них более эффективно использовать фазовые состояния, потому что сохранять и передавать поляризацию они не умеют.

Вообще фаза фотона – это вульгаризм, который придумали экспериментаторы в области квантовой физики. Фотон – это частица, у нее нет фазы, но она является частью волны. А фаза волны – это характеристика, которая показывает некоторую отстройку состояния поля электромагнитной волны. Если представить волну как синусоиду на координатной плоскости, сдвиги ее положения относительно начала координат соответствуют некоторым состояниям фазы.

Говоря простыми словами, когда человек шагает, шаг – это процесс, который повторяется по кругу, у него тоже есть период, как у волны. Если два человека идут в ногу – фазы совпадают, если не в ногу – то фазовые состояния разные. Если же один начинает движение в середине шага другого, то их шаги находятся в противофазе.

Для того, чтобы закодировать в импульсе квантовую информацию, используют модулирующее устройство, которое сдвигает волну, а чтобы измерить сдвиг, мы складываем эту волну с такой же и смотрим, что получится. Если волны находятся в противофазе, то две величины накладываются и гасят друг друга, на выходе мы получаем ноль. Если же мы угадали, то синусоиды складываются, поле увеличивается и итоговый сигнал получается высокий. Это называется конструктивной интерференцией излучения, ее можно проиллюстрировать теми же человеческими шагами.

В начале прошлого века в Петербурге рухнул Египетский мост, когда по нему маршировал взвод солдат. Если просто взять сумму всех шагов, для того, чтобы разрушить мост, энергии не хватит. Но когда шаги попадают в такт, происходит интерференция, нагрузка повышается, и мост не выдерживает. Поэтому сейчас солдатам, если они переходят через мост, отдают команду сбить шаг – идти не в ногу.

Итак, если наши фазовые предположения совпали и сигнал усилился, значит, фазу фотона мы измерили правильно. В классических системах квантовой коммуникации используются распределенные интерферометры, и они определяют квантовую информацию по положению сдвига фазы волны. Воплотить это на практике сложно – линии связи могут греться и охлаждаться, может присутствовать вибрация, все это меняет качество передачи. Фаза волны начинает смещаться сама, и мы не знаем, то ли отправитель ее так «промодулировал», то ли это помехи.

А чем отличается использование боковых частот?

Наш принцип заключается в том, что мы отправляем в линию связи специальный спектр. Это можно сравнить с музыкой – в спектре мелодии много частот, и каждая оставляет за собой звучание. Здесь примерно то же самое: мы берем лазер, который генерирует импульсы только на одной частоте, пропускаем импульс через электрооптический фазовый модулятор. На модулятор подается сигнал на другой частоте, существенно более низкой, и в результате кодирование осуществляется не основной синусоидой, а параметрами вспомогательной синусоиды – ее частотой смены фазы, фазовым положением. Мы передаем квантовую информацию отстройкой дополнительных частот в спектре импульса относительно центральной частоты.

Такое шифрование становится куда более надежным, так как спектр передается по линиям связи одним импульсом, и если среда передачи вносит какие-то изменения, их претерпевает весь импульс целиком. Мы также можем добавить не одну дополнительную частоту, а несколько, и одним потоком единичных фотонов мы можем поддерживать, к примеру, пять каналов связи. В итоге нам не нужен интерферометр в явном виде – он «зашит» внутри импульса, нет нужды в схемах компенсации дефектов в линии, нет ограничений на скорость и дальность передачи данных, а эффективность использования линий связи – не 4%, как в случае с классическими подходами, а до 40%.

Этот принцип придумал главный научный сотрудник Центра информационных и оптических технологий Университета ИТМО Юрий Мазуренко . Сейчас кодирование квантовой информации на боковых частотах также развивают две ученые группы во Франции и Испании, но в наиболее развернутом и полном виде система реализована у нас.

Как теория воплощается на практике?

Все эти квантовые премудрости нужны для формирования секретного ключа – случайной последовательности, которую мы перемешиваем с данными, чтобы их в итоге было невозможно перехватить. По принципу действия системы для безопасной передачи эквивалентны VPN-роутеру, когда мы через внешний интернет прокладываем локальную сеть, чтобы в нее никто не ломился. Мы устанавливаем два устройства, у каждого из которых есть порт, который подключается к компьютеру, и порт, который «смотрит» во внешний мир. Отправитель подает данные на вход, устройство их шифрует и безопасно передает через внешний мир, вторая сторона принимает сигнал, расшифровывает и передает получателю.

Допустим, такое устройство покупает банк, его устанавливают в серверное помещение и используют как коммутатор. Понимать принцип работы банку не нужно – нужно только знать, что за счет основ квантовой физики получаются такие степень безопасности и доверия к линии, которая на порядок выше классических сред передачи информации.

Как именно происходит шифрование?

В устройствах стоит генератор случайных чисел (причем физический, не псевдо-ГСЧ), и каждое устройство задает квантовое состояние фотонов случайным образов. В квантовой коммуникации отправителя принято называть «Алиса», а получателя – «Боб» (А и Б). Допустим, Алиса и Боб выбрали квантовое состояние, соответствующее 0, фазы оптического излучения совпали, получился высокий уровень сигнала и детектор фотонов Боба сработал. Если Алиса выбрала 0, а Боб 1, фазы разные и детектор не срабатывает. Дальше приемная сторона говорит, когда фазы совпали, допустим, на первой, пятой, пятнадцатой, сто пятьдесят пятой передачах, в остальных случаях либо были разные фазы, либо фотоны не дошли. Для ключа мы оставляем только то, что совпало. И Алиса, и Боб знают, что у них совпали передачи 1, 5, 15 и 155, но что они при этом передавали – 0 или 1 – знают только они и никто больше.

Допустим, мы станем подкидывать монетки, а третий человек будет говорить, совпали у нас выпавшие стороны или нет. У меня выпала решка, нам сказали, что монетки совпали, и я буду знать, что у вас тоже выпала решка. То же и в квантовой криптографии, но с одним условием: третья сторона не знает, что именно у нас выпало – орел или решка, это знаем только мы. Алиса и Боб копят случайные, но одинаковые биты, накладывают их на сообщение и получают идеальный шифротекст: абсолютно случайная последовательность плюс осмысленное сообщение равно абсолютно случайная последовательность.

Почему у злоумышленника не получится взломать систему?

Фотон один, делить его нельзя. Если его убрать из линии, Боб ничего не получит, детектор фотонов не сработает, и отправитель с получателем просто не станут использовать этот бит в ключе. Да, злоумышленник может перехватить этот фотон, но бит, который в нем зашифрован, не будет использован в передаче, он бесполезен. Скопировать фотон тоже невозможно – замер в любом случае его разрушает, даже когда фотон измеряет легитимный пользователь.

Есть несколько режимов использования данных систем. Для того, чтобы получить идеальную защиту, длина ключа должна быть равна длине сообщения бит в бит. Но еще их можно использовать для того, чтобы существенно повысить качество классических шифров. Когда происходит смешение квантовых битов и классических шифров, стойкость шифров вырастает по экспоненте, существенно быстрее, чем если бы мы просто увеличивали количество разрядов в ключе.

Допустим, банк выдает клиенту карточку на доступ к онлайн-клиенту, срок жизни ключа в карточке – год (считается, что за этот срок ключ не будет скомпрометирован). Система квантовой криптографии позволяет на лету менять ключи шифрования – сто раз в секунду, тысячу раз в секунду.

Оба режима возможны, если нам необходимо передать предельно конфиденциальные данные. В таком случае кодировать их можно бит в бит. Если же мы хотим значительно повысить степень защиты, но сохранить высокую скорость передачи, то мы перемешиваем квантовые и классические ключи, и получаем оба преимущества – высокую скорость и высокую защиту. Конкретная же скорость передачи данных зависит от условий используемых шифров и режимов кода.

Беседовал Александр Пушкаш ,
Редакция новостного Университета ИТМО

Квантовая физика предлагает абсолютно новый способ защиты информации. Зачем он нужен, разве сейчас нельзя проложить защищенный канал связи? Безусловно, можно. Но уже созданы и в тот момент, когда они станут распространены повсеместно, современные будут бесполезны, так как эти мощные компьютеры смогут взламывать их за доли секунды. Квантовая связь позволяет шифровать информацию при помощи фотонов — элементарных частиц.

Такие компьютеры, получив доступ к квантовому каналу, так или иначе изменят настоящее состояние фотонов. И попытка получить информацию приведет к ее повреждению. Скорость передачи информации, конечно, ниже, по сравнению с другими, ныне существующими каналами, например, с телефонной связью. Но квантовая связь обеспечивает гораздо больший уровень секретности. Это, естественно, очень большой плюс. Особенно в современном мире, когда киберпреступность растет с каждым днем.

Квантовая связь для "чайников"

Когда-то голубиная почта была вытеснена телеграфом, в свою очередь, телеграф вытеснило радио. Конечно, оно сегодня, но появились другие современные технологии. Всего десять лет назад Интернет не был распространен так, как сегодня и доступ к нему было получить достаточно сложно — приходилось ехать в интернет-клубы, покупать весьма дорогие карточки и т. д. Сегодня без Интернета мы не проживаем ни часа, и с нетерпением ждем 5G.

Но очередной новый стандарт связи не решит задачи, которые стоят сейчас перед организацией обмена данными при помощи Интернета, получения данных со спутников из поселений на других планетах и т. п. Все эти данные должны быть надежно защищены. А организовывать это можно при помощи так называемой квантовой запутанности.

Что же такое квантовая связь? Для "чайников" объясняют это явление как связь разных квантовых характеристик. Она сохраняется даже тогда, когда частицы разнесены друг от друга на большое расстояние. Зашифрованный и переданный при помощи квантовой запутанности ключ, не предоставит никакой ценной информации взломщикам, которые попытаются его перехватить. Все, что они получат — это другие цифры, так как состояние системы, при внешнем вмешательстве, будет изменено.

Но создать всемирную систему передачи данных не удавалось, так как уже через несколько десятков километров сигнал затухал. Спутник, запущенный в 2016 г., поможет реализовать схему квантовой передачи ключей на расстояния больше 7 тыс. км.

Первые успешные попытки использования новой связи

Самый первый протокол квантовой криптографии был получен в 1984 г. Сегодня эта технология успешно используется в банковской сфере. Известные компании предлагают созданные ими криптосистемы.

Квантовая линия связи осуществляется на стандартном оптоволоконном кабеле. В России первый защищенный канал был проложен между отделениями "Газпромабанка" в Новых Черемушках и на Коровьем валу. Общая длина равняется 30,6 км, ошибки при передаче ключа возникают, но их процент минимален — всего 5%.

Китай запустил спутник квантовой связи

Первый в мире подобный спутник был запущен в Китае. Ракета Long March-2D стартовала 16 августа 2016 г. с космодрома Цзю-Цюань. Спутник весом 600 кг будет 2 года летать по солнечно-синхронной орбите, высотой 310 миль (или 500 км) в рамках программы "Квантовые эксперименты в космическом масштабе". Период обращения аппарата вокруг Земли равняется полутора часам.

Спутник квантовой связи называется Micius, или "Мо-Цзы", в честь философа, который жил в V в.н.э. и, как принято считать, первым проводил оптические эксперименты. Ученые собираются изучить механизм и провести между спутником и лабораторией в Тибете.

Последняя передает квантовое состояние частицы на заданное расстояние. Для реализации этого процесса нужна пара запутанных (иначе говоря, сцепленных) частиц, находящихся на расстоянии друг от друга. Согласно квантовой физике, они способны улавливать информацию о состоянии партнера, даже находясь далеко друг от друга. То есть можно оказывать воздействие на частицу, которая находится в далеком космосе, воздействуя на ее партнера, который находится рядом, в лаборатории.

Спутник будет создавать два запутанных фотона и отправлять их на Землю. Если опыт будет удачным, он ознаменует собой начало новой эры. Десятки подобных спутников смогут не только обеспечить повсеместное распространение квантового интернета, но и квантовую связь в космосе для будущих поселений на Марсе и на Луне.

Зачем нужны такие спутники

Но зачем вообще нужен спутник квантовой связи? Разве уже существующих обычных спутников не достаточно? Дело в том, что эти спутники не будут заменять обычные. Принцип квантовой связи состоит в кодировании и защите существующих обычных каналов передачи данных. С ее помощью, например, уже обеспечивалась безопасность во время проведения парламентских выборов в 2007 году в Швейцарии.

Некоммерческая исследовательская организация Баттельский мемориальный институт, проводит обмен информацией между отделениями в США (штат Огайо) и в Ирландии (Дублин) используя квантовую запутанность. Принцип ее основан на поведении фотонов — элементарных С их помощью кодируется информация и отправляется адресату. Теоретически, даже самая аккуратная попытка вмешательства, оставит след. Квантовый ключ изменится сразу же, и хакер, предпринявший попытку, получит бессмысленный символьный набор. Поэтому все данные, которые будут передавать через эти каналы связи, невозможно перехватить или скопировать.

Спутник поможет ученым тестировать распределение ключа между наземными станциями и самим спутником.

Квантовая связь в Китае будет реализована благодаря оптоволоконным кабелям, общей протяженностью 2 тыс. км и объединяющих 4 города от Шанхая до Пекина. Серии фотонов бесконечно передаваться не могут, и чем больше расстояние между станциями, тем выше шанс того, что информация будет повреждена.

Пройдя какое-то расстояние, сигнал затухает, и ученым, для того чтобы поддерживать корректную передачу информации, нужен способ обновления сигнала спустя каждые 100 км. В кабелях это достигается с помощью проверенных узлов, в которых ключ анализируется, копируется новыми фотонами и идет дальше.

Немного истории

В 1984 г. Брассард Ж. из Монреальского университета и Беннет Ч. из IBM предположили, что фотоны можно использовать в криптографии для получения защищенного фундаментального канала. Ими была предложена простая схема квантового перераспределения шифровальных ключей, которая была названа ВВ84.

Схема эта использует квантовый канал, по которому информация между двумя пользователями передается в виде поляризованных квантовых состояний. Подслушивающий их хакер может попытаться измерить эти фотоны, но он не может это сделать, как сказано выше, не внеся в них искажения. В 1989 г. в Исследовательском центре IBM Брассард и Беннет создали первую в мире работающую квантово-криптографическую систему.

Из чего состоит квантово-оптическая криптографическая система (КОКС)

Основные теххарактеристики КОКС (коэффициент ошибок, скорость передачи данных и т.п.) определены параметрами образующих канал элементов, которые формируют, передают и измеряют квантовые состояния. Обычно КОКС состоит из приемной и передающей частей, которые связаны каналом передачи.

Источники излучения разделяются на 3 класса:

• лазеры;
• микролазеры;
• светоизлучающие диоды.

Для передачи оптических сигналов в качестве среды используют волоконно-оптические светодиоды, объединенные в кабели разной конструкции.

Природа секретности квантовой связи

Переходя от сигналов, в которых передаваемая информация кодируется импульсами с тысячами фотонов, к сигналам, в которых на один импульс, в среднем, приходится их меньше единицы, в действие вступают квантовые законы. Именно использование этих законов с классической криптографией позволяет достигать секретности.

Принцип неопределенности Гейзенберга применяется в квантово-криптографических аппаратах и благодаря ему любые попытки изменения в квантовой системе вносят в нее изменения, и формация, полученная в результате подобного измерения, определяется принимаемой стороной как ложная.

Дает ли квантовая криптография 100% гарантию от взлома?

Теоретически дает, но технические решения не совсем надежны. Злоумышленники стали использовать лазерный луч, с помощью которого они ослепляют квантовые детекторы, после чего те перестают реагировать на квантовые свойства фотонов. Иногда используются многофотонные источники, и взломщики могут получать возможность пропускать один из них и измерять идентичные.

КВАНТОВАЯ СВЯЗЬ, совокупность методов для передачи квантовой информации, т. е. информации, закодированной в квантовых состояниях (КС), из одной пространственной точки в другую. Носителями квантовой информации являются квантовые системы, которые могут находиться в различных квантовых состояниях.

Обмен информацией между удалёнными пользователями происходит с учётом типа КС, которые, в отличие от классических состояний, могут быть неортогональными и перепутанными (сцепленными). Кодирование классической информации в неортогональные КС даёт возможность сопровождать каждое сообщение собственным секретным ключом, т. е. разрешить одну из основных проблем классической криптографии - безусловно секретное распределение ключей. Свойство перепутанности КС позволяет обеспечить доставку двух идентичных последовательностей битов двум удалённым пользователям с гарантией, что информация, содержащаяся в них, недоступна третьей стороне. И в первом, и во втором случае абсолютная секретность передаваемых данных обеспечивается не вычислительными и техническими возможностями легитимных пользователей и потенциального перехватчика, а законами природы, основанными на линейности и унитарности квантовых преобразований и на неопределенностей соотношениях (смотри Квантовая криптография).

Наиболее подходящими квантовыми системами, используемыми для передачи КС на большие расстояния, являются фотоны. Они распространяются со скоростью света, позволяют кодировать информацию в частотных, фазовых, амплитудных, поляризационных и временных переменных. К тому же использование фотонов как носителей информации позволяет применять ряд технологических достижений в области классических телекоммуникаций - оптические волоконные линии связи, всевозможные модуляторы и преобразователи оптических сигналов.

Состояния фотонов, в которых кодируется информация, выбираются из числа степеней свободы электромагнитного поля, которые могут быть непрерывными и дискретными. Непрерывными степенями свободы обладают квантовые системы с большой (в пределе - бесконечной) размерностью гильбертова пространства, например квадратурные амплитуды какой-либо моды квантованного электромагнитного поля или коллективные состояния ансамбля атомных систем. Перепутанные состояния систем с непрерывными переменными реализуются за счёт использования сжатых состояний света, причём сжатие квадратурных квантовых флуктуаций происходит в результате нелинейных оптических процессов.

Для систем с дискретными переменными размерность гильбертова пространства конечна. Простейшей системой такого типа является двухуровневая система, которая может быть реализована, например, на поляризационных степенях свободы фотона. В состояниях двухуровневой системы физически реализуется квантовый бит информации, называемый кубитом (q-бит, qubit, от английского quantum bit). Протоколы квантовой связи на основе кубитов (под протоколами понимают последовательность действий, приводящих к решению задачи) являются наиболее разработанными.

Любая система квантовой связи состоит из источника квантовых состояний, среды, в которой распространяются эти состояния (канала связи), и детекторов, измеряющих КС. Для генерации КС на отдельных фотонах в основном используют сильно ослабленные лазерные импульсы. Если исходное лазерное излучение имеет пуассоновскую статистику, то, вводя заданное ослабление, можно рассчитать среднее число фотонов в импульсе, а также долю вакуумной, однофотонной, двухфотонной и других компонент. В современных системах квантовой криптографии принято использовать среднее число фотонов на уровне 0,1, т. е. когда в каждом десятом импульсе присутствует примерно один фотон. Неизбежное статистическое присутствие многофотонных компонент ограничивает секретность передаваемых данных.

Перепутанные состояния пар фотонов генерируются в процессе спонтанного параметрического рассеяния (СПР) света. В зависимости от режима СПР перепутывание происходит между разными степенями свободы фотонов. Различают пространственно-поляризационные, частотно-поляризационные, время-энергетические и другие типы перепутанных состояний. В процессе вынужденного параметрического рассеяния генерируются сжатые состояния света - аналог перепутанных состояний при больших интенсивностях излучения.

Среда, в которой распространяются КС, представляет собой волоконно-оптические линии связи или открытое пространство. Стандартные волоконно-оптические линии связи изготавливаются из плавленого кварца и имеют минимальные потери на длинах волн 1,3 мкм и 1,55 мкм. Если каналом связи является открытое пространство, то минимальные потери происходят на длине волны 0,8 мкм и в области 4-10 мкм. Именно на этих длинах волн генерируются оптические КС в зависимости от типа линии связи.

Для измерения КС используются в основном лавинные фотодиоды. В диапазоне 1,3-1,55 мкм это диоды на основе полупроводниковых структур типа InGaAs/InP с квантовой эффективностью около 10%. В диапазоне 0,8 мкм используются кремниевые лавинные фотодиоды с квантовой эффективностью около 50%. Разрабатываются другие типы детекторов, например на основе сверхпроводящих структур. В будущем для записи, хранения и обработки квантовой информации предполагается использовать квантовые интерфейсы и квантовую память.

Квантовые связи различают по числу квантовых систем, вовлечённых в кодирование квантовой информации. При однофотонной квантовой связи информация кодируется в состояниях единичных фотонов. При двухфотонной квантовой связи для дистанционного приготовления нужного состояния используется перепутывание пары фотонов. Трёхфотонная квантовая связь применяется для передачи однофотонного КС без непосредственной связи между двумя пространственно-временными точками за счёт квантовой телепортации. Квантовая телепортация - способ передачи произвольных (заранее неизвестных) квантовых состояний из одной точки в другую, используя перепутанные состояния, распределённые между этими двумя точками, и обмен классическими данными между ними. При телепортации одного кубита используют два бита классической информации. Четырёхфотонная квантовая связь применяется для телепортации перепутывания или квантового обмена перепутыванием. Этот тип квантовой связи очень важен для создания квантовых ретрансляторов и квантовых повторителей (ретранслятор + квантовая память). Развитие квантовой связи перспективно через низкоорбитальные спутники.

Лит.: Килин С. Я. Квантовая информация // Успехи физических наук. 1999. Т. 168. Вып. 5; Физика квантовой информации / Под редакцией Д. Боумейстера и др. М., 2002; Нильсен М., Чанг И. Квантовые вычисления и квантовая информация. М., 2006.

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.

Сергей Кузнецов

Редактор

Квантовая связь без лишнего шума

Ученые из исследовательского центра Toshiba в Кембриджском университете, кажется, сумели совершить очередной прорыв в квантовой связи. Об уровне прорыва говорит то, что их статья удостоилась публикации в топовом Nature . Авторы статьи утверждают, что им удалось передавать зашифрованные при помощи квантового распределения ключей (quantum key distribution, QKD) данные по обычному коммерческому оптоволокну на 550 километров с «управляемым уровнем шума» - и это без использования квантовых повторителей. То есть им удалось превзойти некий предел соотношения «толщины» канала и расстояния передачи данных.

Чтобы понять, насколько это важно, давайте разберемся, что такое квантовое распределение ключей, о котором говорится в новой работе.

Обычно, когда речь заходит о квантовой криптографии, прибегают к трем персонам – Алисе и Бобу, которые хотят приватно пообщаться, и Еве, которая хочет их подслушать. Существует теорема Вернама, согласно которой Ева никогда не сможет прочесть их переписку, если Алиса и Боб разделят ключ, длина которого равна длине их сообщений. Но, зная это, все правильные шпионы обычно стремятся скрытно скопировать ключ в тот самый момент, когда его распределяют Алиса и Боб.

Тут нам на помощь приходит квантовый мир, в котором существует запрет на клонирование (читай: копирование) неизвестного квантового состояния. Да-да, тут речь идет именно о той самой квантовой запутанности. Исходя из этого в 1984 году Чарльз Беннет и Жиль Брассар предложили систему квантового распределения ключей, разработав протокол BB84.

Что это означает в реальности? По факту Алиса отправляет Бобу отдельные фотоны, которые имеют, например, один из четырех видов поляризации (вертикальная, горизонтальная и две диагональных).

Например, вертикальная и горизонтальная поляризация кодируют «ноль» и «единицу» в одном методе измерения, а две диагональных поляризации отвечают «нулю» и «единице» в другом методе измерения. Затем Боб случайным образом выбирает способ измерения состояния фотона. Лишь если способ приготовления и измерения фотона совпадают, Алиса и Боб записывают полученный бит в секретный ключ шифрования. Вместо поляризации можно использовать изменение фазы фотона.

Но есть несколько фундаментальных проблем. Во-первых, это проблема устройства, способного отправлять одиночные фотоны. На практике в коммерческих линиях квантовой связи часто пользуются очень слабыми лазерными импульсами, хотя прогресс в разработке однофотонных источников тоже достигнут. А во-вторых, так как передача сигнала осуществляется отдельными фотонами, возникает проблема шума. Оптоволокно по-разному нагревается (тепловые фотоны), может быть по-разному изогнуто и так далее.

Поэтому на нынешний момент существуют аппаратно-независимые пределы пропускной способности квантовой связи в зависимости от расстояния. На практике это 1,26 мегабита в секунду на расстояние 50 километров по стандартному кабелю и - сравните - 1,16 бита в час (!) на расстояние в 404 километра (символично) по специальному кабелю с ультранизкими потерями данных.

Вот вам пример: в прошлом августе китайские исследователи опубликовали в том же Nature результаты эксперимента по реализации протоколов квантовой криптографии между космосом и Землей. Тогда со спутника «Мо Цзы» на расстояние в 1200 километров более 300 килобайт секретного ключа. Это стало возможно потому, что и околоземное пространство, и верхние слои атмосферы почти не шумят. По обычному оптоволокну на 1200 километров один бит просеянного ключа передавали бы около шести миллиардов лет.

Чтобы передавать сигнал на более далекое расстояние, специалисты по квантовой связи работают над квантовыми повторителями. Можно подумать, что это - квантовые ретрансляторы, однако на самом деле принцип их работы совсем другой.

Мы уже говорили, что в квантовом мире невозможно клонировать квантовое состояние. А ведь обычный ретранслятор электромагнитного сигнала (радио, например), делает именно это: воспринимает сигнал и воспроизводит его заново. С квантовым посланием так обращаться нельзя. Поэтому квантовый повторитель – это скорее обычный квантовый компьютер, который способен хранить исходный сигнал (кубит). Однако пока что квантовые повторители на практике – дело будущего.

А вот теперь вернемся к статье кембриджцев.

Как мы помним, Алиса у нас отправляет фотоны Бобу. То есть у Алисы есть лазер, у Боба – детекторы фотонов. Однако авторы предлагают ввести в уравнение Чарли, который расположен посередине. Чарли - «на аутсорсе», ему отдаются детекторы. И Алиса, и Боб генерируют фазово-рандомизированные оптические поля, которые объединяются у Чарли. Поля, передаваемые с той же случайной фазой, являются «близнецами» и могут быть использованы для выделения квантового ключа.

В такой схеме «двупольного» квантового распределения ключей (twin field quantum key distribution, TF-QKD) существует такая же зависимость потери сигнала от расстояния, однако за счет этого хитрого хода удается сохранять приемлемый шум еще на протяжении 550 километров. Действительно, прорыв!

Дело в том, что в предложенной схеме «шум» представляет собой дрифт (сползание) фазового сдвига, которое можно компенсировать, если станция Чарли будет работать фазовым модулятором, корректируя дрифт. Это делает возможным квантовую связь «с управляемым шумом» на расстояние в полтысячи километров по обычному оптоволокну, что было просто невозможно без использования квантовых повторителей.

Открытие бизнеса