Что такое квантовый интернет и зачем он нужен? Безопасный квантовый интернет: будущее информационной телепортации

Сегодня? работа Интернета осуществляется благодаря связанным кремниевым чипам, но в будущем может появиться квантовая модель, которая будет строиться из алмазов, так называемый Квантовый интернет. 24 апреля в журнале “Nature” вышла статья о том, что ученые физики намереваются создать между алмазами квантовую запутанность. При этом, они располагались друг от друга на расстоянии 3 метра. Удалось зафиксировать, что обмен информацией на большие расстояния, при использовании данной технологии, может производиться в 10 тысяч раз быстрее, чем скорость света.

Основатель теории относительности, великий ученый Альберт Эйнштейн считал, что квантовая запутанность невозможна. Это явление природы является одним из самых странных и поэтому устройства, которые построены на такой технологии имеют большие перспективы. Квантовые запутанные фотоны, которые образуются в оптических кабелях, будут использоваться в технологии Интернета, чтобы сплести кубиты. Главной целью является создание соединений, которые имеют большую степень защищенности, а также в создании новых квантовых компьютеров.

Кубит является аналогом бита, однако они имеют возможность, находится в состоянии суперпозиции и одновременно отображать как «0», так и «1». Ученые утверждают, что связав кубиты можно производить расчеты намного быстрее. Компьютеры, реализованные по этой технологии, смогут осуществлять расчеты быстрее, чем составляет возраст нашей Вселенной, а это ни много ни мало 14 миллиардов лет.

Стоит отметить, что запутывание кубитов на расстоянии уже осуществляли в другой системе, как и делали это с ионами и атомами. И пусть алмазной системе еще долго до квантового запутывания, в любом случае именно этот способ стал ключевым в развитии квантовой сети. Над этим проектом работает группа ученых из Технологического университета Делфта расположенного в Нидерландах. Как отмечает Рональд Хэнсон глава проекта, подключить кубиты в алмазных чипах намного проще, чем добиться того же в какой-либо другой системе.

Для того чтобы сплести вместе кубит с фотоном использовалась температура в -263,15 градусов по Цельсию и высокотехнологичный лазер. При этом фотоны можно извлечь из оптоволоконного кабеля, где и происходит процесс квантовой запутанности. Этот процесс также применяли для запутывания ионов иттербия, а также в рубидии его нейтральных атомов.

Над кубитами алмаза также работал физик Дэвид Авшалом из Чикагского Университета в Иллинойсе, однако в исследованиях он не принимал участия, но отметил, что демонстрация этого процесса была очень зрелищной и красивой.

Однако эффективность процесса находится на минимальном уровне. Это отметила профессор физик Монреальского Университета Макгилла Лилиан Чилдресс. Она также является соавтором последних исследований. Во время экспериментов квантованное запутывание может произойти только один раз из 10 миллионов случаев, это около 10 минут за цикл. Эти эксперименты стоят на первом ряду как и ловушки ионов и атомов.

Важная цель изучения данного метода заложена в возможности предоставить основу для квантового повторителя, устройство, которое позволит создать квантовые коммуникации на большое расстояние. Проблема в том, что запутанности, которые возникают благодаря фотонам, распадается через пару сотен километров. Это происходит в силу того, что оптоволоконный кабель, поглощая свет, разрушает запутанный сигнал. А если цепи запутывания будут образовываться в квантовом ретрансляторе, то это гарантированное связывание кубитов на тысячи километров.

Хэнсон отмечает, что хоть система, которая использует атомы и ионы продвинута в несколько раз, но алмаз с количеством запутанных кубитов 14 штук имеет большие преимущества если связывать удаленные процессоры в сети. Кубиты в алмазе можно поддерживать при комнатной температуре, так как благодаря углеродному материалу они не будут подвержены вибрациям и воздействию магнитных полей. При этом не возникает суперпозиции, а ионы должны находиться только в высоком вакууме.

Исследователями было выявлено, что кубиты в алмазах существуют десятки миллисекунд. Их можно передать к ядру атома азота или углерода, чтобы создать массив кубита «памяти». Именно в таком случае они существуют уже целые секунды, которые для вычислительных систем квантового порядка равны вечности. Плюс ко всему легче создать чип из твердого алмаза, нежели создавать многочисленное количество ловушек ионов.

Как отмечает физик из Оксфордского университета Джошуа Нанн, победителя в этой гонки нельзя назвать сию же минуту. Это долгий процесс развития и он находится только на начальном этапе. Поэтому ставить на то кто и как создаст первый квантовый процессор на сегодняшний день нереально и бессмысленно.

Последние исследования, реализованные европейскими и российскими учёными, показали, что перемещение квантовой и классической информации может удачно сосуществовать в границах одних и тех же оптоволоконных линий трансляции данных. Это даёт возможность в будущем для постепенного перехода от привычного интернета, к сети на основе парадоксов элементарных частиц, сети квантового интернета.

Ускоряемся в исследованиях

В компьютерной индустрии назревает переворот. Физики из Пенсильванского университета заявили, что через четыре года обычные кремниевые микросхемы достигнут своего предела. Уменьшать их дальше будет не возможно, поэтому обычным компьютерам осталось жить не долго.

На их смену придут принципиально новые технологии, квантовые компьютеры. Вместо микросхем будут находиться элементарные частицы. Благодаря этому возможно резко уменьшить размеры и повысить производительность. Пока работают не быстрее слабого компьютера, но это всего лишь вопрос времени. В свою очередь, используя мощнейший потенциал, удастся более быстро решить проблемы и сложности при внедрении принципиально нового, квантового интернета.

Загадки квантового интернета

Как работает квантовый интернет? Что это такое и в чем его суть? Отличие в том, что он базируется на законах квантовой механики. Она была воспринята учёными как горячая, резкая область, которая может быть применена для описания явлений, до конца не понятых. Одним из них считается фотоэлектрический эффект.

Парадоксы квантовой физики на службе у человечества

На сегодня понятно: в наше ближайшее будущее войдёт такое явление, как квантовый интернет. Что это может нам принести или как это будет? Возможно, это будет очередной скачек, подобный внедрению полупроводниковых транзисторов в прошлом.

Принцип его основан на свойстве суперпозиции и Он не имеет определённого спина и при измерении одной, вторая показывает противоположный. Для более полного понимания это означает, что каждая элементарная частица, несущая информацию, невидимо связана с её «запутанной» парой. Причём расстояние между ними не играет ни какой роли, информация передаётся мгновенно.

Используя эти аномальные законы, открываются огромные возможности в скорости и конфиденциальности передачи данных. Перехватить информацию, отправленную таким путём, оставшись незамеченным, невозможно: любое чтение оставляет следы, либо уничтожает исходную информацию.

Скорость быстрее мысли

Что касается последних данных по измерению скорости передачи данных, то они поражают наше воображение. Она превышает в десять тысяч раз. Но, скорее всего, учёные в будущем обнаружат, что скорость передачи сигнала намного выше определённой ранее, таков квантовый интернет. Что это значит? Что нам может это дать? Возможно, передачу сигналов на ранее немыслимые расстояния в космосе и новые открытия.

Новые технологии в фотонах

В технологии превращения фотонов в носитель информации российские учёные нашли применение искусственно выращенных кристаллов, а именно алмазов.

Оказывается, когда свет проходит через кристаллы, он приобретает свойство жидкости и начинает формировать капли, вихри, волны. Его можно направлять по каким-либо каналам. В общем, ведёт себя, как жидкость. В том числе он может распространяться с очень медленной скоростью или даже остановиться.

Это очень интересно с одной стороны и очень важно, поскольку это позволяет манипулировать со светом и делать, что угодно, в том числе, получить такое явление, как квантовая сеть интернет. Это позволяет его использовать в качестве агента передачи информации. Сейчас главным ее носителем является электрический заряд. Но это несовершенный объект. Поэтому любое движение или ускорение электрического заряда приводит к потерям энергии, которая уходит в окружающую среду и нагревает процессор и элементы микросхем.

Интернет сам по себе стоит уже человечеству более 5% производимой им энергии. Поэтому замена электрона фотонами в идеальном варианте приведёт к сокращению потерь колоссального количества энергии. Соответственно, себестоимость самого интернета упадет.

Квантовый интернет в России

Работы в России по квантовому интернету уникальны. Не смотря на малое финансирование и всяческие препоны, учёные провели достаточно экспериментов и добились в этой области фактически лидирующего положения.

В результате удалось создать уникальный, высокого уровня институт. Он сочетает в себе экспериментальные и теоретические группы, а также прикладные исследования. Этот институт финансируется частично «Газпромбанком», частично государством в разных формах. В любом случае, это тот пример, которому должна следовать российская наука, не останавливаясь ни перед чем.

Покоряем новые территории

На нынешнем этапе развития квантового интернета можно назвать только технологии защиты данных с помощью квантовой криптографии. Подобные сети на сегодня представляют собой достаточно простые соединения точка—точка. Учёные стремятся создавать совместные решения, на основании которых объединяются различные каналы и способы шифрования.

Если проследить за реализацией идеи, то результаты российских исследователей окажутся более существенными. Один из примеров - это детектор однофотонного излучателя, разрабатываемого в

Для существования такого открытия, как квантовая сеть интернет, учёным необходимо решить сложности совмещения особого оснащения для квантовой передачи данных и существующих на сегодня телекоммуникационных сетей.

Основные вопросы лежат в решении коммутации и усилении сигнала. Если отправить информацию на основе кванта, по стандартному оптоволокну, то он не пройдёт через регенератор. Поэтому один из вариантов решения это превращение сигнала в электрический и затем возврат в исходное положение.

На сегодня предел равен трёмстам километрам. Это дистанция, на которой необходимо производить регенерацию оптического сигнала. Также нужен прототип квантового коммутатора. Общий объем наличия проблемных задач может быть решён только в пределах десяти лет. Тем не менее, в учёных кругах утверждают о возможности «оседлать» квантовый интернет. Что это может принести и чем помочь? На сегодня нет однозначного ответа, но решение вопроса о внедрении и доведении подобных технологий к рядовому жителю, однозначно повысит его качество жизни и безопасность.

Новая эпоха наступает

Китай на сегодня поставил амбициозный проект, сделать передачу по квантовой сети на 1200 километров, используя спутник.

На данный момент достигнута дистанция максимум сто километров. Учёные разработали, как уберечь сигнал от воздействия метеорологических условий. Впрочем, эта сенсация скорее связана не с телепортацией, которая увеличивается с каждым годом, а с квантовой криптографией, другими словами, новой системой шифрования данных.

Квантовый код нет возможности взломать, точнее при его взломе информация пропадает. В эпоху кибервойн это означает неуязвимость. Квантовой криптографией давно пользуются те, кто ищет гарантии безопасности. Как, например, несколько лет тому назад швейцарские банки начали обмениваться данными о своих клиентах через квантовую сеть. На сегодня они ограничены расстоянием несколько десятков километров. Такую же систему готовится внедрять Российский квантовый центр, а также освоить передачу квантового сигнала через космический спутник.

Внедрение и реализация

А в это время в Петербурге между двумя зданиями университета в России запустили первую квантовую интернет сеть.

Информация передаётся, используя законы квантовой физики. В эту область сейчас инвестируют самые умные корпорации и правительства. Будущая технология передачи информации внедряется на базе существующей. Оптоволоконный кабель, привычный компьютер, но новый роутер и генератор фотонов.

Существование нового интернета начинается с лазера, где находится источник одиночных фотонов. Они обладают хорошим свойством для того, чтобы передавать информацию защищённым путём. Одиночный фотон нельзя разделить. Ключ формируется таким образом, что чтение не возможно. Чтобы превратить фотон в носитель информации, система меняет его состояние, фазу колебания импульсной волны. Сегодня уровень развития квантовой технологии сопоставим с тем, как выглядела мобильная связь тридцать лет назад, ещё пройдёт пять-десять лет и кванты фотона смогут нам подарить безопасный информационный интернет.

Квантовый интернет в Казани

В Татарстане запустили квантовую интернет сеть, её экспериментальный участок находится в Казани. Эта программа является важным достижением в развитии в России. Как утверждают учёные, она абсолютно неуязвима для хакерских атак.

Сегодня защита нашей интернет сети основана на шифровании математических алгоритмов, но даже самый сложный код можно взломать. Чем мощнее вычислительные способности у хакеров, тем проще и быстрее просчитать алгоритм шифрования.

Описываемая в статье технология станет новой структурой сетевой безопасности. Квантовый интернет в Казани будет объединён в четыре узла на расстоянии 30-40 километров друг от друга. Стоимость комплектации между двумя точками составляет около ста тысяч долларов. На экспериментальном участке сеть показала скорость квантового интернета 117кб/c с дистанцией два с половиной километра. Этот результат на порядок выше, чем в европейских испытаниях. В сети показатель потерь передачи квантовых бит в оптическом канале составил двадцать дБ. Это эквивалентно длине линии сто километров.

Стоит заметить, что в данном проекте задействована действующая линия телекоммуникационной сети инфраструктуры «Таттелеком».

Сеть соединит города

В 2017 году предполагается начать проект по внедрению новой технологии. Квантовый интернет в Татарстане позволит соединить офисы в различных городах. Это одно из главнейших заданий, которые ставит перед собой Казанский квантовый центр КНИТУ-КАИ и его руководитель. Наблюдая за их успехами, без сомнений верится, что так оно и будет.

ИНФОРМАЦИОННАЯ И КВАНТОВАЯ ТЕЛЕПОРТАЦИЯ

Издание New Scientist называет квантовую телепортацию чудесным феноменом. Квантовое состояние одной частицы может передаваться другой частице, находящейся на расстоянии от первой. При этом данный эффект достигается без какого-либо физического перемещения.

Это просто перемещение информации из различных мест с физической отправкой чего либо в промежутке. Согласно информации BBC News , результатом исследования может стать система связи повышенной безопасности. А на её основе может родиться квантовый интернет будущего.

КАК ТЕЛЕПОРТИРОВАЛАСЬ ИНФОРМАЦИЯ

В Университете Калгари (Пункт B) было создано два фотона. Информация представляет собой квантовое состояние фотона. Один из фотонов был отправлен по оптико-волоконной линии длиной в 11,1 километра. Пунктом назначения стало строение вблизи мэрии Калгари (Пункт C).

По их словам, фотон двигался классическим способом. Другой фотон был оставлен в Пункте B.

Затем фотон был отправлен в мэрию из Манчестера (Пункт A). Квантовое состояние фотона из Пункта A было передано фотону, оставленному в Пункте B. Вот так работает квантовая телепортация.

Данное явление стало возможным благодаря эффекту спутанности. Это объясняет то, почему частицы могут быть связаны между собой невзирая на расстояние между ними.

В другом исследовании использовались иные технические настройки. Цян Чжан и Цзянь-Вэй Пан провели сеанс телепортации на расстояние в 30 километров с использованием оптико-волоконной сети в китайском городе Хэфэй.

КВАНТОВЫЙ ИНТЕРНЕТ

Доктор Титтель заявил, что используемая в эксперименте конфигурация сможет стать точкой отсчёта. Её можно будет использовать при создании городских квантовых сетей. В теории в сети можно использовать ретранслятор, который позволит передавать информацию на значительно большие расстояния. Таким образом, появится квантовый интернет.

Квантовая криптография предложит пользователям намного более безопасную связь, чем мы имеем сегодня. Исследователь области квантовой информации Фредерик Гроссханс говорит, что эти исследования демонстрируют возможность создания городских квантовых сетей. Это может стать реалистичным предложением. Он добавил, что такое будущее выглядит весьма захватывающе.

В России появится первая сеть квантового интернета. Сначала опытный фрагмент свяжет несколько точек в Татарстане

Первая в России многоузловая квантовая сеть запущена в Татарстане. Проект реализован учеными Казанского квантового центра КНИТУ-КАИ и университета ИТМО на сети оператора связи ПАО «Таттелеком».

Это пилотный проект, главная задача которого - «полевые испытания»: тестирование технологии, отработка механизмов интеграции квантовых каналов в существующую телекоммуникационную инфраструктуру и масштабирования квантовой сети, - пояснил руководитель Лаборатории квантовой информатики Международного института фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО и лаборатории практической квантовой криптографии Казанского квантового центра Артур Глейм. - Всё это осуществляется на базе действующих городских линий связи. В течение ближайшего десятилетия технология квантовой коммуникации станет такой же привычной и полезной частью нашей жизни, как широкополосный интернет и мобильная связь. Повысится уровень информационной безопасности: прямые атаки на каналы связи и кража данных из них окажутся недоступны для злоумышленников.

Квантовые коммуникации - технология связи, позволяющая обеспечить высочайший уровень защиты передаваемых данных в оптических сетях связи. Сейчас все данные, передающиеся с помощью обычных оптоволоконных сетей (мобильная связь, интернет), теоретически могут быть подвергнуты взлому, поскольку они шифруются с помощью специализированных математических алгоритмов. Чем мощнее у взломщиков компьютер - тем проще им просчитать алгоритм шифрования.

Поэтому ученые, разрабатывая квантовые сети, ставили перед собой задачу: разработать систему, с помощью которой можно достигнуть безопасности коммуникаций, не изобретая алгоритмов шифрования.

В основе квантового шифрования лежит физический принцип, согласно которому состояние фотона нельзя прочесть дважды, потому что после первого чтения состояние фотона изменится и повторная попытка даст уже другой результат. Информация, передаваемая в виде однофотонных лазерных импульсов по оптоволоконным каналам связи, защищена, таким образом, от прослушивания.

Для реализации квантовой сети специальное оборудование устанавливается на оптоволоконную сеть. С его помощью генерируются, кодируются, передаются и принимаются однофотонные сигналы, посредством которых осуществляется защита передаваемой информации. Пилотный проект в Татарстане реализуется на основе оригинальных разработок российских ученых. По словам Артура Глейма, стоимость комплекта оборудования для соединения двух точек сейчас составляет около $100 тыс, однако он уточнил, что с развитием технологий и производства стоимость оконечных решений существенно снизится.

Директор Казанского квантового центра КНИТУ-КАИ Сергей Моисеев рассказал, что сейчас многоузловая сеть апробируется в Казани, а следующим шагом станет строительство сети по всей Республике Татарстан. По его словам, базовая технология, на которой строится сеть, изначально разработана в университете ИТМО, а сейчас на ее основе идет создание сетевых решений.

Мы хотим проложить сеть между Казанью и Набережными Челнами. Сейчас работаем над самим оборудованием, например, по ускорению передачи данных, - рассказывает Сергей Моисеев. - Расстояние для передачи квантов составляет около 100 км. А далее новые узлы «удлиняют» сеть.

Пилотный проект в Татарстане - первая в России квантовая сеть с четырьмя узлами. Пока у нас были реализованы только два проекта, оба по принципу «точка-точка», когда напрямую соединяются только два узла. Самая первая была запущена в университете ИТМО еще в 2014 году - тогда ученым удалось объединить два корпуса вуза по стандартному подземному оптоволоконному кабелю. Вторая сеть была реализована в июне этого года Российским квантовым центром (РКЦ) и соединила два московских здания Газпромбанка. Инвестиции в проект составили более 450 млн рублей.

А вот в проекте Казанского квантового центра и ИТМО участниками защищенной передачи данных могут быть уже несколько сторон, связанных друг с другом квантовыми каналами. Как рассказали ученые, в первую очередь подобная защищенная сеть необходима для финансового сектора и госструктур - организаций, у которых самая высокая потребность в безопасной передаче данных.

Руководитель группы квантовых коммуникаций РКЦ Юрий Курочкин рассказал, что главная проблема, которую решают квантовые сети, это исключение риска «подслушивания» ключа.

Если кто-то посторонний подключится к такой линии, об этом сразу узнают и получатель и отправитель, способа сделать это незаметно не существует, - говорит Курочкин. - Квантовые линии связи могут найти широкое применение везде, где важна защита информации - в банковской, финансовой, корпоративной сфере, у военных, у государственных органов. Любые цифровые данные теоретически можно передавать по квантовым каналам. Но такой уровень защиты нужен далеко не во всех случаях, не имеет смысла шифровать переписку о планах на выходные. Технология квантовой криптографии пока находится на ранней стадии, стадии серверных решений. Для создания мобильных решений и, соотвественно, квантовой мобильной связи требуется значительный технологический прогресс.

Ректор университета Иннополис Александр Тормасов считает, что анонсируемое открытие ученых решает технологические вопросы квантовых сетей, что позволяет начать работу с линиями длиннее одного узла.

У квантовых коммуникаций есть одна проблема, - говорит Томасов. - Если мы выпускаем фотон по оптической линии, то по дороге он может пропасть из-за длины линии и слишком сильного затухания. Если сделать повторители колебаний в середине линии, как в обычных коммуникациях, то это убьет идею двух запутанных фотонов, и линия перестанет быть безопасной. Переход от двух узлов без повторителей к четырем узлам - серьезный шаг современных технологий. И упомянутая работа - большое достижение, которое находится на передовом краю научной мысли. Теперь остается только один вопрос: как уменьшить себестоимость этих решений.

В Китае до конца этого года планируется запустить квантовую сеть между Пекином и Шанхаем длиной порядка 2 тыс. км. А в США ведутся работы над квантовой сетью между Огайо и Вашингтоном протяженностью 650 км.

Метки:

Разработка полноценного квантового компьютера значительно изменит всю вычислительную технику и многие сферы нашей жизнедеятельности, включая экономику, медицину, производство и быт.

Мы уже рассмотрели и затронули в этом материале такое понятие как «квантовый интернет». Что же это такое, и какие преимущества он нам даст?

Если говорить простыми словами, квантовый интернет был бы тем средством связи, которое использует квантовые сигналы вместо радиоволн для отправки информации. Но давайте объясним это немного подробнее. Интернет, каким мы его знаем, использует радиочастоты и электрические сигналы для подключения различных компьютеров в глобальную сеть, в которой сигналы отправляются туда и обратно. В квантовом интернете сигналы будут передаваться через квантовую сеть, используя запутанные квантовые частицы.

Но что означает квантовый интернет для обычных пользователей Интернета? Если говорить про типичный интернет-серфинг, то, возможно, квантовый интернет дает не так уж и много. Очень маловероятно, что вы будете использовать квантовый интернет для чтения постов в социальных сетях. «Во многих случаях использование квантовой механики не имеет большого смысла для этих целей» – сказал физик Кай-Мэй Фу из Университета Вашингтона. Для таких вещей достаточно возможностей обычного интернета.

Тем не менее, квантовый интернет лучше всего будет безопасно отправлять информацию. Благодаря тому, что известно как квантовое шифрование или квантовая криптография, люди смогут отправлять «невзламываемые» данные по квантовой сети. Это связано с тем, что квантовая криптография использует механизм, называемый квантовым распределением ключей (QKD), благодаря чему создается зашифрованное сообщение, а его ключи отправляются отдельно. Попытка несанкционированного просмотра такого сообщения приводит к его автоматическому уничтожению, при этом отправитель и получатель становятся уведомлены о ситуации.

Квантовый интернет также может ускорить доступ к работающему квантовому компьютеру, организовав квантовые вычисления в облаке. Вместо того, чтобы пытаться завладеть физическим квантовым компьютером, который еще не удалось сделать общедоступным, вы можете получить доступ к нему через облако. Обычный персональный компьютер мог бы передавать информацию или получать доступ к квантово-зашифрованной информации через этот облачный квантовый компьютер. По крайней мере, вы могли бы отправить «невзламываемые» электронные письма.

По сути, квантовый интернет, скорее всего, станет специализированной отраслью обычного интернета, к которой мы будем обращаться только для решения конкретных задач. Тем не менее, даже если квантовый интернет не будет работать так же, как современный интернет, одно можно сказать наверняка: передовая технология может принести пользу всем, от физиков до обычных пользователей, передающих свои сокровенные письма.