Квантовый интернет – новая возможность для спутника

0 Понравилось

Квантовый интернет – новая возможность для спутника

Stacks Image 20
Автор: Андрей Кириллович, Директор департамента интеграционных услуг и комплексных проектов, ФГУП «Космическая связь»
Все мы слышали о квантовых вычислениях, которые происходят на порядки быстрее существующих вычислительных процессов. Страны соревнуются между собой по созданию самых мощных квантовых компьютеров. Однако, как мы знаем из истории развития информационной индустрии, любой компьютер повышает свою эффективность, если объединен в сеть с другими вычислительными средствами. Также известно об абсолютной безопасности каналов связи, строящихся на основе квантовых технологий. В связи с этим сразу возникает желание организовать качественно новый, квантовый интернет.
Под «квантовым интернетом» или «квантовой сетью» понимают коммуникационную сеть связи, где передача и защита данных производится с использованием фундаментальных законов квантовой механики. Фактически это передача чистых квантовых состояний в виде фотонов на большие расстояния.
Необходимость в создании квантовых сетей связи вызвана следующим:
1. Создание абсолютно безопасных каналов связи, где перехват информации или ее изменение невозможно даже на теоретическом уровне. Область применения таких сетей – правительственные структуры, военные, спецпотербители, банки и финансовые организации и т.п., где необходимо шифрование передаваемых данных. В рамках таких сетей происходит квантовое распределение ключей, которое использует квантовые явления для гарантии безопасной связи. Этот метод позволяет двум сторонам, соединенным по открытому каналу связи, создать общий случайный ключ, который известен только им, и использовать его для шифрования и расшифровывания сообщений. Важным и уникальным свойством квантового распределения ключей является возможность обнаружить присутствие третьей стороны, пытающейся получить информацию о ключе. Здесь используется фундаментальный аспект квантовой механики: процесс измерения квантовой системы нарушает её. Третья сторона, пытающаяся получить ключ, должна изменить передаваемые по каналу связи квантовые состояния, что ведет к их изменению и появлению аномалии.

2. Только в полностью квантовой сети простые дешевые удаленные квантовые устройства смогут получить безопасный доступ к большим квантовым компьютерам для проведения облачных квантовых вычислений, которые в сотни миллионов раз быстрее и эффективнее обычных компьютеров.

3. Скорость передачи информации. Скорость фотонов гораздо выше скорости света. Если скорость света – это 108, то в квантовых сетях – это 1011.

4. Природа квантовой информации. Квантовую информацию, которую генерирует квантовое устройство, нельзя предварительно записать или сохранить. Пока даже в теории нет понимания о принципах хранения такой информации. Поэтому, как только появляется квантовая информация – ее необходимо немедленно передать по квантовой сети.
Единицей измерения или наименьшим элементом информации в квантовом компьютере является «кубит» - квантовый разряд или поляризованные фотоны, транслируемые по каналу связи. И если в классической компьютерной теории бит имеет только два возможных состояния: либо «0», либо «1», то кубит может иметь любое состояние между пограничными. Применительно к классической теории – кубит может иметь любое значение между «0» и «1». При этом кубиты находятся в запутанной связи с друг другом и любое изменение кубита, то есть вторжение третьей стороны в процесс передачи, отразится на остальных кубитах, и будет понятно, что информация была подвержена стороннему вмешательству.

В качестве сети передачи информации в квантовых сетях можно использовать как оптоволокно, так и свободное пространство на земле и в космосе. Наиболее удобной средой распространения для кубитов, как и в классическом телекоме, является оптический кабель. Однако в связи с затуханием квантового сигнала в оптическом кабеле каждые 50 км. необходимо ставить квантовые ретрансляторы, которые еще находятся в стадии разработки. Попытка поставить квази-ретранслятор в виде «доверенного узла» (Trusted Node) не позволяет построить полностью квантовую сеть. Использование наземных радиосигналов не решит проблему, так как затухание сигнала в земной атмосфере также велико.

Поскольку затухание в вакууме в десятки раз ниже, чем в оптическом кабеле, для передачи квантовых сигналов на дальние расстояния (между континентами или даже странами) будут использоваться спутники, как минимум, в ближайшие лет сорок. Кроме того, поскольку разработка квантовых ретрансляторов находится на начальном этапе, то в ближайшие 5-10 или даже 15 лет для построения квантовых сетей любой протяжённости единственным выходом является использование спутников. Предполагается использование как низкоорбитальных, так и средневысотных, а также геостационарных систем спутниковой связи, которые могут применяться как для передачи сигнала напрямую пользователю, так и для ретрансляции сигнала между различными орбитами.

Квантовый интернет – это не замена классическому интернету. Обе сети будут существовать параллельно еще много лет. Квантовые сети просто добавляют новые возможности и приложения к классическому интернету. То есть, у компаний будет классический интернет-канал и квантовый канал для специфических приложений и задач, в основном связанных с защитой информации.

Причем бизнес уже вовсю интересуется возможностями квантовой связи. В крупнейшем телеком-гиганте США – компании Verizon, и крупном американском банке – JPMorgan Chase, созданы соответствующие подразделения, занимающиеся изучением инфраструктуры квантовых коммуникаций и возможных приложений и услуг.

Помимо бизнес-сектора квантовые сети связи представляют интерес для энергетиков в плане создания сети квантовых компьютеров для вычислений в области ядерной физики.

Таким образом, в настоящее время развитие квантовых коммуникаций находится в начальной стадии – где-то между IT и фундаментальной наукой (теоретической физикой). Пока еще определяются основные положения и принципы построения сетей. Разработка стандартов еще не начата. В основном, этим вопросом пока занимаются научные структуры, а также небольшие нишевые частные компании, разрабатывающие оборудование и компоненты. Еще очень велик разрыв между теорией и практикой. И поэтому никто из специалистов пока точно не знает, как будет выглядеть квантовый интернет. До промышленного внедрения пока еще далеко. Однако развитие идет быстрыми темпами во многих странах. При этом, на начальном этапе – до разработки квантовых ретрансляторов для оптического кабеля, преимущество будет отдаваться спутниковым технологиям передачи квантовой информации. И это является хорошим шансом для спутниковой отрасли закрепиться на рынке перспективных, качественно новых сетей связи.
***
30/12/2020
Ваши содержательные комментарии к материалам направляйте нам через контактную форму ниже:
Согласен с Политикой обработки данных