Квантовый интернет: уже скоро

Распространение квантовых компьютеров предвещает скорый крах шифрованию RSA. Взломать обычную зашифрованную связь простым перебором для них будет проще простого, какую длину ключей ни подбери. Вся традиционная банковская система, пароли, пусковые коды от ядерных шахт — всё это может быть перехвачено или взломано, как только у организации (или государства) с квантовым компьютером возникнет к этому интерес.

Сейчас активно ведутся поиски замены RSA, способной защитить информацию будущего. И, неожиданно, самый реалистичный вариант — квантовая связь. Пересылка информации, зашифрованной в состояниях связанных фотонов или ионов. Большой прогресс в этом направлении есть у физиков Европы, в Чикаго уже построена сеть-прототип, и даже у России с Китаем есть свои наработки, ведущие индустрию к квантовой связи с помощью спутников.

Квантовый интернет может быть гораздо ближе, чем вам кажется.

Это будет длинная статья, так что начнем по порядку.

Что такое квантовый компьютер?

Квантовый компьютер вычисляет и отправляет информацию с помощью кубитов, то есть квантовых битов. Это аналоги нулей или единиц в обычных компьютерах, только они реализованы с помощью квантовых частиц (скажем, фотонов, ионов, ядер атомов), находящихся в суперпозиции. Они могут показать либо ноль, либо единицу, но до момента их измерения состояние этих частиц описывается волновой функцией, показывающей вероятность измерения того или иного значения. Чаще всего используется система минимум из двух кубитов. В таком случае итоговых измерения становится четыре: 00, 01, 10 и 11. Измерение каждого из значений сопровождается своей вероятностью.

Система может выполнять простейшие преобразования, а также операции if/when. Как и современные обычные ЭВМ с битами. Но поскольку до момента измерения вся связанная система находится в суперпозиции всех состояний одновременно, она может работать в миллионы, а то и в триллионы раз быстрее классической. Во время измерения волновая функция просто коллапсирует до нужного состояния, как до единственно верного. Сложности вычислений путем перебора для квантового компьютера с достаточным количеством кубитов просто не существует.

Поэтому любая защита данных, реализованная с помощью обычных компьютеров, перестанет работать Пароль любой длины и любой сложности будет подобран за микросекунду — как только появится квантовый компьютер с достаточным количеством кубитов, чтобы выдать строку нужной длины.. Если в руках у злоумышленника появится такой инструмент, он сможет получить даже доступ ко всем ядерным объектам и электростанциям.

Получается, безопасная передача важной информации в Сети может быть реализована только за счет тех же кубитов. Поскольку они находятся в суперпозиции до момента их измерения, как только злоумышленник попытается получить данные — всем будет ясно, что что-то не так. Можно настроить систему так, чтобы она не принимала заранее измеренные данные, помечая их как украденные. И только когда ей придет полноценный квантовый фрагмент информации — будет ясно, что эти данные идут от источника, и никто другой их не трогал.

Обхитрить квантовую передачу данных не получится даже у злоумышленника с квантовым компьютером. А поскольку таких компьютеров в мире уже десятки, и у последних из них уже больше тысячи кубитов, вопросы квантовой защиты информации становятся всё более острыми.

Что такое квантовый интернет?

Квантовый интернет — это сеть квантовых компьютеров (или, точнее, квантовых дата-центров), которые будут вычислять, получать, а главное — пересылать данные, закодированные в виде квантовых состояний. Он не заменит наш текущий интернет, но станет его дополнением, позволяя быть уверенными в сохранности самой важной информации.

Главная задача такого интернета — квантовая криптография. Но будут также и другие бонусы: более высокая скорость передачи данных, возможность вести квантовые вычисления в облаке и способность разных групп ученых по всему миру проводить сложные научные работы, от поиска параметров черных дыр до нахождения новых частиц и комбинаций молекул. Их данные могут телепортироваться без необходимости сначала быть обработанными и измеренными.

Хотя свойства и возможности квантового интернета еще не до конца известны, многие его составляющие уже были обоснованы теоретически, а некоторые, такие как квантовое распределение ключей, уже даже созданы на практике. Пока неясно, когда удастся развернуть полномасштабный глобальный квантовый интернет, но исследователи считают, что государственные квантовые сети для обмена самой важной информацией будут реализованы в США уже в ближайшие 10-15 лет. Над этим работают несколько организаций, в основном базирующихся в Чикаго. Этот город (а также китайский Хэфэй) обещает стать ключевым при разработке сетей нового поколения. Можно ожидать, что в будущем мы станем слышать о нём все чаще.

Тем не менее вряд ли даже в отдаленном будущем у обычных пользователей появятся персональные квантовые компьютеры. На ПКК нет смысла сидеть в интернете или играть в игры. Вместо этого они будут размещены в университетах, крупных компаниях и дата-центрах, где к ним можно будет получить доступ через облачный сервис, и использоваться отчасти также, как сейчас суперкомпьютеры Google: для проведения передовых исследований, развития науки, хранения и обмена важными данными.

Квантовые компьютеры лучше всего подходят под исследования явлений из реального мира — сложных систем со многими составляющими. Взаимодействие атомов и молекул, поведение фотонов, кварков и глюонов. А квантовый интернет позволит обмениваться этой информацией, не преобразуя её в простые нули и единицы, в результате чего неизбежно теряется часть данных.

Как работает квантовый интернет?

Ключевое понятие квантовой физики — «запутанность». Если две частицы запутаны (связаны, спутаны, entangled) друг с другом, то независимо от того, как далеко они находятся одна от другой, они будут иметь схожие характеристики — например, одинаковый «спин», то есть направление вращения частиц. Причины появления «запутанности» частиц называются разные, но проще всего посчитать, что поведение этих частиц, связанных друг с другом, описывается одной и той же волновой функцией. Просто до их измерения мы не знаем, какой.

Состояние запутанных частиц неизвестно до момента их наблюдения. Известно только, что оно одинаковое. Когда находят параметры одной из частиц, становятся известны и характеристики второй частицы. Этот простой физический факт позволит интернету будущего стать безопасным даже от взлома квантовыми компьютерами.

Обычные компьютеры передают информацию с помощью битов, и к получателю по очереди приходит либо 0, либо 1, из которых тот выстраивает нужную информацию. Кубиты вместо этого телепортируют данные через свои квантовые состояния. Спин, угловой момент вращения элементарных частиц, — самый простой вариант из таких состояний. Но даже в нём можно закодировать немало данных. Если рассматривать направление вращения как маленькую стрелку компаса, направленную либо вниз, либо вверх, можно кодировать в нём информацию, руководя этой иглой.

Правда, в данном случае данные записываются не в виде четких значений, а в виде комбинаций из возможных состояний. Исследователи уже научились это делать — записывать информацию в состояниях фотонов или электронов, а потом телепортировать эти данные через интернет и извлекать их. Пока что дистанции не впечатляют, чаще всего составляя несколько десятков километров. Но направление движения понятно. Дистанции увеличатся, и технология станет доступна большинству из тех, кому она нужна.

На что способен квантовый интернет?

Квантовый компьютер сам по себе — огромное достижение человечества, сравнимое с полетом в космос. Программировать фотонами или ядрами атомов — до такого не додумались даже лучшие научные фантасты. Если правильно дать задачу квантовому компьютеру с достаточным числом кубитов, становятся тривиальными даже факторизация больших чисел или решение сложных логистических проблем (см. задачу коммивояжера). Ожидается, что квантовые машины будут полезны для криптографии, открытия новых видов лекарств, новых молекул и новых материалов, в том числе для солнечных батарей.

В разработке находятся несколько десятков видов кубитов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Наиболее распространены квантовые точки, ионные ловушки, сверхпроводящие цепи и дефектные спиновые кубиты. Чтобы раскрыть полный потенциал технологии, квантовый компьютер должен иметь возможность обрабатывать большое количество кубитов — тысячи или десятки тысяч. В идеале, кубитов разных типов — для разных задач. Это возможно при условии, что несколько квантовых компьютеров будут объединены через квантовый интернет — что позволит создать гораздо более мощную систему.

Мы пока не знаем точно, на что она будет способна — как 60 лет назад люди не могли бы представить себе современную Сеть. Но одно мы знаем наверняка: вряд ли в нём появятся свои «квантовые» веб-сайты, сервисы и приложения. Для передачи таких данных проще и дешевле использовать нашу старую добрую Всемирную паутину, для которой уже построена вся инфраструктура.

Вместо этого квантовый интернет будет решать три очень важные, но специфические задачи:

1. Безопасность связи

Главная причина необходимости создания нового интернета. Только он сможет гарантировать отсутствие перехватов и расшифровок данных квантовыми компьютерами. За это отвечает QKD, квантовое распределение ключей, для которого уже придумано несколько вариантов (протокол B92, протокол BB84, протокол E91 и так далее). Суть одна: квантовым каналом передается информация, позволяющая верифицировать последующие данные и гарантировать их сохранность. Эту технологию уже предлагает целый ряд компаний: MagiQ, QNu Labs, ID Quantique, Tokyo QKD, Eagle-1 и другие. Дистанции передачи ключей пока что невысокие, ошибок и шума много. Но тестовые телепортации квантовых данных между швейцарскими и австрийскими банками уже несколько раз проводились.

2. Сенсорные сети

Квантовый интернет может использоваться для передачи данных между рядом датчиков — без необходимости преобразования этих данных в классический цифровой формат. Такие его возможности уже сейчас востребованы, скажем, в Большом адронном коллайдере. Точность научных инструментов, работающих с квантовыми объектами, повышается на порядки. Телескопы, изучающие космос, могли бы использовать такой интернет для создания запутанности между своими датчиками, что позволило бы получить гораздо более точное изображение неба.

Черные дыры, исследования кварков и ионов, гравитационные волны. Передача информации от датчиков с помощью квантовой связи поможет дать ответы на сложнейшие вопросы, стоящие перед наукой.

3. Квантовые вычисления

Создание квантовой сети позволило бы отдельным квантовым компьютерам, разбросанным по всему миру, объединить свои вычислительные способности и работать как одна машина. Не повышая цену создания новых, более сложных устройств, удалось бы всё равно увеличивать суммарное число кубитов. Конгломерат квантовых компьютеров затем может быть использован, к примеру, для поиска лекарства от рака или анализа цепочек полимеров для создания куда более дешевых и прочных материалов.

Но многие применения квантового интернета, скорее всего, станут очевидными только после того, как эта технология будет реализована. Например, теоретически он позволяет поддерживать идеальную синхронизацию на больших расстояниях. Если это достижимо на практике, то это позволит лучшим хирургам проводить операции в любой точке планеты в режиме реального времени. А лучшие ядерные физики смогут «включаться» на атомные объекты в случае возникновения экстренной ситуации.

Еще одним примером могут стать банкоматы. Иногда, если они выходят из строя, бывает такое, что наличные не выдаются, в то время как банк считает, что операция совершена, и снимает деньги со счета. За счет сопряжения данных квантовый интернет сможет устранить такое несоответствие, и сделать эту и другие финансовые операции более надежными и безопасными.

Сколько осталось ждать квантового интернета?

Пока что никому не удалось разработать устойчивую квантовую сеть крупных масштабов. Но в пределах нескольких десятков километров уже достигнуты серьезные успехи.

Так, весной 2019 года группа из десятков американских ученых (назовем её ESnet) смогла достичь квантовой запутанности на расстоянии больше 15 километров. Передача состоялась через обычное оптоволокно, а в качестве источников квантового сигнала использовались связанные фотоны. При передаче им пришлось столкнуться с декогеренцией: запутанные фотоны, взаимодействуя с окружающей средой, возвращаются в своё классическое состояние. Это происходит уже на расстоянии в несколько километров. Чтобы принять сигнал без помех, ученые разработали несколько квантовых усилителей, «портативных источников запутывания», и установили их по пути следования сигнала.

С тех пор эксперимент расширился, и сейчас дистанция передачи сигнала составляет порядка 120 километров. ESnet — №2 в списке самых успешных концептов квантового интернета. Правда, из-за необходимости в усилителях канал получается крайне дорогим и сложным в масштабировании. Никакой полезной информации, кроме направления спина частиц, через систему также телепортировать не удалось.

В начале 2020-го ученые из Чикагского университета запустили постоянную 90-километровую квантовую петлю — из оптоволоконных кабелей, проложенных под пригородами Чикаго. Их сеть продемонстрировала все базовые функции, требуемые для квантового интернета, и могла бы использоваться для передачи квантовых ключей. При этом импульсы передавались с задержкой всего 200 мс. Такая сеть могла бы поддерживать достаточно большое число абонентов — её бы вполне хватило, чтобы объединить все несколько десятков существующих сегодня квантовых компьютеров.

Спустя два года к этой сети добавили ещё одно ответвление на 60 километров. Что делает её на текущий момент самой длинной в мире. Она состоит из шести узлов и 150 км оптического волокна, которое переносит квантово-кодированную информацию от университета Чикаго до штаб-квартиры CQE (Chicago Quantum Exchange, интеллектуального хаба специалистов по квантовым системам) и дальше к зданиям Аргонской национальной лаборатории Минэнергетики США. По пути следования этой «квантовой локальной сети» тестируются сотни различных устройств, которые должны принимать, отправлять, шифровать или усиливать сигнал.

По сути, это уже готовый квантовый интернет, только пока что чересчур дорогой и не до конца протестированный. Если масштабировать технологию CQE на весь мир, и установить десятки тысяч излучателей и приемников квантового сигнала (в данном случае — связанных фотонов), им уже можно было бы пользоваться для отправки самых важных сообщений. Правда, надежность защиты информации пока еще не протестирована, и взломать данные с помощью квантовых компьютеров пока что тоже еще никто не пытался (еще не создан компьютер с алгоритмом, способным решать какие-либо задачи, кроме физических и математических). Пока что польза от всей чикагской Сети только теоретическая. Правительство США рассчитывает взять её как основу для создания более крупных государственных сетей — например, для передачи данных от Пентагона, которые никто и никогда не смог бы перехватить.

В Европе есть аналогичные проекты. Так, в феврале 2023 года группе физиков из Франции, Австрии и Швейцарии под руководством Бенджамина Ланьона удалось передать запутанность двух ионов на дистанцию в 230 метров. А уже в мае та же команда впервые сумела с помощью квантов передать информацию по оптоволоконному кабелю на расстояние 50 километров. Их квантовый узел-ретранслятор отправлял группы запутанных фотонов, записывая данные в их спинах, и, считывая эти направления, собирал нули и единицы на обратной стороне. Это была одна из первых передач реальных данных через квантовую сеть. Правда, эти нули и единицы ничего на практике не означали, но это уже были настоящие биты, которые можно использовать в реальном мире.

Теперь цель ученых — увеличить дистанцию, на которой может работать их интернет. Идея-максимум — охватить такой сетью всю Европу. Проект объединяет десятки университетов, компаний и исследовательских центров в Германии, Франции, Италии, Швейцарии, Австрии, Венгрии и других городах. Он получил название QIA (Quantum Internet Alliance) и обеспечен финансированием минимум до 2030 года. К этому времени Ланьон хочет как минимум усовершенствовать дизайн и передать информацию на 800 километров, связав Инсбрук и Вену постоянным квантовым каналом, по которому будут передаваться полезные данные. Это должно доказать ЕС перспективность проекта и обеспечить дальнейшее финансирование. Если всё пойдет удачно, то полная квантовая сеть, покрывающая основные научные центры Европы, должна быть готова к 2040-му году.

Ученые тут же хотят умерить ожидания публики. Стефани Венер, профессор квантовой информации из Нидерландов и координатор проекта QIA, говорит:

Наша технология рассчитана не для замены обычного интернета, а для совместного существования с ним. Она не улучшит вам просмотр YouTube или Netflix, это создается для других целей.

С другой стороны, мы помним, что старая-добрая Всемирная паутина, HTML и HTTP тоже когда-то зарождались как продукты для удобного доступа к научным данным в ЦЕРН. А в итоге стали достоянием всего человечества и изменили мир. Какой потенциал будет у новой технологии, пока говорить рано.

Из последнего — в декабре 2023 года ученые из ЮАР, Испании и Германии, используя всего два связанных фотона, телепортировали через квантовую сеть информацию, достаточную для создания изображений. Они придумали, как «запаковывать» в спины и их производные достаточно данных, чтобы собирать из них биты и даже байты данных на обратной стороне провода. То есть безопасно пересылать картинки через такой интернет уже возможно на практике. Не говоря о паролях, пин-кодах и небольших текстовых файлах. Остается опять же масштабировать эту сеть за пределы лаборатории. А для этого достаточно финансового интереса, который безусловно появится, как только квантовые компьютеры начнут представлять серьезную угрозу передаче данных.

Стоит упомянуть, что Россия и Китай тоже потихоньку развивают квантовые технологии — правда, с упором на большие дистанции передачи данных, а не на надежную и защищенную связь. Так, в 2017 году ученые из Университета науки и технологий Китая применили лазеры для передачи связанных фотонов от наземной станции к спутнику на орбите 500 км и на другую наземную станцию, расположенную в 1200 км от первой. Пользы от такой передачи пока нет никакой, но зато эксперимент показал, что спутники тоже в теории подходят для работы в квантовой сети.

А в конце декабря 2023 года Россия и Китай впервые совместно испытали квантовую связь, передав информацию на 3800 километров. С одной стороны в передаче участвовал тот же Университет науки и технологий Китая, с другой — Институт физики и квантовой инженерии НИТУ МИСиС, который развивает квантовое направление с 2019 года. Для эксперимента использовался китайский спутник Mozi, а в России был специально построен первый в стране квантовый приемник, умеющий принимать и декодировать данные поляризационных состояний фотонов со спутника.

Так что квантовый спутниковый интернет тоже вполне реален. Правда, китайцы смогли научиться восстанавливать информацию только одного фотона из каждых шести миллионов — что, конечно, не подходит для создания надежного канала связи.

Одно можно сказать точно: темп ускоряется. Новости о новых успешных экспериментах выходят всё чаще. Началась гонка технологий между разными группами интересов, и в неё вливаются хорошие деньги. До полноценной реализации технологии, кажется, надо совсем немного.

Что осталось создать для реализации квантового интернета?

Квантовый интернет — уже совсем не теория, какой он был еще десять лет назад. Но и на практике его реализовать пока до конца не получилось. У нас есть отдельные компоненты: мы умеем генерировать, передавать и считывать кубиты. Но чтобы это вышло за пределы научных лабораторий, нам нужны еще некоторые разработки, а именно:

1. Более стабильные кубиты

Кубиты закодированы в квантовых состояниях субатомных частиц. И эти состояния очень легко нарушить — скажем, вибрациями или колебанием температуры. В таком случае все данные, которые несли кубиты, теряются. Чтобы такого не допустить, квантовые компьютеры изолируются от мельчайших вибраций и охлаждаются до температур близких к абсолютному нулю. Это стоит довольно дорого и не сможет свободно масштабироваться на дата-центры.

Поэтому есть запрос к созданию нового типа кубита — который сможет работать при комнатных температурах и неидеальных условиях. Один из таких — «дефектные» кубиты или кубиты с дефектным спином. Они были впервые получены в 2016 году. В молекулах невероятно твердых материалов, таких как карбид кремния или алмаз, сфокусированным пучком ионов создаются полости, «дефекты». По своим особенностям эти «дырки» похожи на застывшие атомы, и могут быть сопряжены друг с другом. При этом они являются намного более стабильными, поскольку за их удержание отвечает окружающая кристаллическая решетка. Им не нужно криогенное хранение, и они не так чувствительны к вибрациям. Если научиться хранить в них квантовую информацию, проблема масштабирования технологии отчасти будет решена.

В феврале 2022 года ученые из Чикаго сообщили, что они научились поддерживать квантовое сопряжение между «дефектными» кубитами в течение 5 секунд, а затем считывать хранящуюся внутри них информацию. Пока что это рекорд для такого типа кубитов.

2. Квантовый повторитель

Одна из проблем квантовой связи на больших расстояниях — высокая вероятность потери фотонов или их сопряжения. Это наглядно продемонстрировал китайский эксперимент, в котором только один фотон из шести миллионов смог добраться до цели и быть правильно считанным. Если бы такой процент полезной информации был у нас в обычной связи, никакого интернета бы не получилось.

Эту проблему в теории решает квантовый повторитель. Он создает запутанность в канале, аналогичную той, которую получил. И таким образом передает квантовую связь дальше в её исходном состоянии. Если ставить такие повторители каждые несколько десятков километров — можно создать сколь угодно большую сеть и распространять в ней относительно четкий квантовый сигнал. Как ретрансляторы или сетевые узлы в классическом интернете.

К сожалению, попытка прочитать и дублировать запутанную частицу уничтожает её — в соответствии с «Теоремой о запрете клонирования». Поэтому полноценной передачи так не получится — только цикл копирования. Мы все играли в испорченный телефон и знаем, чем это может закончиться, если хоть один из сотни повторителей настроен неверно.

Похожие «квантовые усилители» есть у ESnet, хотя работают они по другим принципам — не позволяя сигналу распутаться под влиянием внешней среды, а не копируя его. Скорее всего, это и будет цель в ближайшие 5-10 лет: развернутая сеть установок, защищающая квантовую информацию от декогеренции. Эдакие квантовые реле, сохраняющие кубиты нетронутыми, пока они не достигли места своего назначения. А дальше, когда эта технология будет освоена — можно будет задуматься над повторителями или даже «копирами», способными рассылать один и тот же сигнал нескольким адресатам.

3. Квантовая инфраструктура

Перемещение кубитов требует надежной физической линии. Пока что спутниковая связь не показывает достаточной устойчивости к помехам. Поэтому наиболее вероятным для квантового интернета остается оптоволоконный кабель. Он достаточно дешев и распространен. Как когда-то обычный интернет смог передаваться по телефонным кабелям, так и квантовый интернет, по крайней мере на начальном этапе, будет идти по оптоволоконным.

Такие сети по всему миру уже тестируются — в том числе петля QIE в Европе и 150-километровая линия CQE в Чикаго. Всё это нужно только расширить. Поставить ретрансляторы, квантовые приемники и передатчики, переоборудовать дата-центры. Первые локальные квантовые сети для экспериментов у нас уже есть, осталось расширить и отточить технологию. Научиться дешево и быстро ставить квантовую инфраструктуру на обычные оптоволоконные сети.

Всё это будет сделано, как только взломы данных квантовыми компьютерами начнут становиться потенциальной проблемой.