Все это может звучать как научно-фантастическая концепция, но создание квантовых сетей — ключевая цель многих стран по всему миру. Недавно Министерство обороны США (DoE) опубликовало первый в своём роде план, излагающий пошаговую стратегию, которая позволит осуществить мечту о квантовом Интернете, по крайней мере, в очень предварительной форме, в течение следующих нескольких лет.

 

 

США присоединились к ЕС и Китаю, проявив большой интерес к концепции квантовой связи. Но что такое квантовый интернет, как он работает и какие чудеса он может творить?

 

ЧТО ТАКОЕ КВАНТОВЫЙ ИНТЕРНЕТ?

 

Квантовый Интернет — это сеть, которая позволит квантовым устройствам обмениваться некоторой информацией в среде, которая подчиняется странным законам квантовой механики. Теоретически это предоставило бы квантовому Интернету беспрецедентные возможности, которые невозможно реализовать с помощью современных веб-приложений.

 

В квантовом мире данные могут быть закодированы в виде кубитов, которые могут быть созданы в квантовых устройствах, таких как квантовый компьютер или квантовый процессор. Проще говоря, квантовый Интернет будет включать отправку кубитов по сети из нескольких квантовых устройств, которые физически разделены. Что особенно важно, все это произошло бы благодаря странным свойствам, уникальным для квантовых состояний.

 

Это может звучать похоже на стандартный Интернет. Но отправка кубитов через квантовый канал, а не классический, по сути, означает использование поведения частиц в их наименьшем масштабе — так называемых «квантовых состояний», которые десятилетиями вызывали восторг и тревогу среди ученых. А законы квантовой физики, лежащие в основе того, как информация будет передаваться в квантовом Интернете, не что иное, как незнакомые. На самом деле они странные, нелогичные и временами даже кажутся сверхъестественными.

Итак, чтобы понять, как работает квантовая экосистема Интернета 2.0, вы можете забыть все, что вы знаете о классических вычислениях. Потому что мало что из квантового Интернета напомнит вам ваш любимый веб-браузер. Короче говоря, не так много, к чему привыкло большинство пользователей. Поэтому, по крайней мере, в течение следующих нескольких десятилетий, вы не должны ожидать, что когда-нибудь сможете перейти на собрания по квантовому Zoom.

 

Центральным в квантовой коммуникации является тот факт, что кубиты, использующие фундаментальные законы квантовой механики, ведут себя совсем не так, как классические биты. При кодировании данных классический бит может фактически находиться только в одном из двух состояний. Так же, как выключатель света должен быть включен или выключен, и точно так же, как кошка должна быть мертвой или живой, бит должен быть либо 0, либо 1.

 

Не так уж много… Вместо этого кубиты накладываются друг на друга: они могут быть 0 и 1 одновременно, в особом квантовом состоянии, которого нет в классическом мире. Это немного похоже на то, как если бы вы могли быть одновременно и слева, и справа от дивана. Парадокс в том, что простое измерение кубита означает, что ему присвоено состояние. Измеренный кубит автоматически выходит из двойного состояния и переводится в 0 или 1, как классический бит. Все это явление называется суперпозицией и лежит в основе квантовой механики.

 

Неудивительно, что кубиты нельзя использовать для отправки знакомых нам данных, таких как электронные письма и сообщения WhatsApp. Но странное поведение кубитов открывает огромные возможности для других, более нишевых приложений.

 

КВАНТОВАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

Одним из самых захватывающих направлений, которые исследуют исследователи, вооруженные кубитами, является безопасность. Когда дело доходит до классической связи, большая часть данных защищается путем распределения общего ключа между отправителем и получателем, а затем использования этого общего ключа для шифрования сообщения. Затем получатель может использовать свой ключ для декодирования данных на своей стороне.

Безопасность большинства классических коммуникаций сегодня основана на алгоритме создания ключей, которые хакерам сложно взломать, но не невозможно. Вот почему исследователи стремятся сделать этот коммуникационный процесс «квантовым». Эта концепция лежит в основе развивающейся области кибербезопасности, называемой квантовым распределением ключей (QKD). QKD работает, когда одна из двух сторон шифрует часть классических данных, кодируя ключ криптографии на кубиты. Затем отправитель передает эти кубиты другому человеку, который измеряет кубиты, чтобы получить ключевые значения.

 

Измерение приводит к коллапсу состояния кубита; но важно то значение, которое считывается в процессе измерения. Кубит, в некотором смысле, нужен только для передачи ключевого значения. Что еще более важно, QKD означает, что легко узнать, перехватила ли третья сторона кубиты во время передачи, поскольку злоумышленник мог бы вызвать разрушение ключа, просто взглянув на него.

 

Если хакер посмотрел на кубиты в любой момент во время их отправки, это автоматически изменило бы состояние кубитов. Шпион неизбежно оставит след подслушивания — вот почему криптографы утверждают, что QKD «доказуемо» безопасен.

 

Технология QKD находится на очень ранней стадии. «Обычный» способ создания QKD на данный момент состоит в однонаправленной отправке кубитов на приемник по оптоволоконным кабелям; но это значительно ограничивает эффективность протокола. Кубиты могут легко потеряться или рассыпаться по оптоволоконному кабелю, а это означает, что квантовые сигналы очень подвержены ошибкам и с трудом преодолевают большие расстояния. Фактически, текущие эксперименты ограничены диапазоном сотен километров.

 

Есть еще одно решение, и оно лежит в основе квантового Интернета: использовать другое свойство кванта, называемое запутанностью, для связи между двумя устройствами: когда два кубита взаимодействуют и запутываются, они обладают определенными свойствами, которые зависят друг от друга. Пока кубиты находятся в запутанном состоянии, любое изменение одной частицы в паре приведет к изменениям другой, даже если они физически разделены.

 

Таким образом, состояние первого кубита можно «прочитать», посмотрев на поведение его запутанного аналога. Правильно: даже Альберт Эйнштейн называл все это «жутким действием на расстоянии».

А в контексте квантовой связи запутанность может фактически телепортировать некоторую информацию с одного кубита на запутанную вторую половину без необходимости физического канала, соединяющего два кубита во время передачи.

 

КАК РАБОТАЕТ ЗАПУТАННОСТЬ?

 

Сама концепция телепортации влечет за собой, по определению, отсутствие физического сетевого моста между взаимодействующими устройствами. Но остается то, что запутанность нужно в первую очередь создавать, а затем поддерживать. Чтобы выполнить QKD с использованием запутанности, необходимо создать соответствующую инфраструктуру, чтобы сначала создать пары запутанных кубитов, а затем распределить их между отправителем и получателем. Это создает канал «телепортации», по которому можно обмениваться ключами криптографии.

В частности, после того, как запутанные кубиты были сгенерированы, вы должны отправить половину пары получателю ключа. Запутанный кубит может перемещаться, например, по оптоволоконным сетям; но они не могут сохранять сцепление примерно через 60 миль. Кубиты также можно удерживать запутанными на больших расстояниях через спутник, но покрытие планеты космическими квантовыми устройствами обходится дорого.

 

Таким образом, все еще существуют огромные инженерные задачи по созданию крупномасштабных «телепортационных сетей», которые могли бы эффективно связывать кубиты по всему миру. Когда сеть запутывания создана, начинается волшебство: связанным кубитам больше не нужно проходить через какую-либо физическую инфраструктуру для доставки своего сообщения.

 

Таким образом, во время передачи квантовый ключ будет практически невидимым для третьих лиц, невозможным перехватить и надежно «телепортироваться» от одной конечной точки к другой. Эта идея найдет отклик в отраслях, имеющих дело с конфиденциальными данными, таких как банковское дело, медицинские услуги или авиасообщение. И вполне вероятно, что правительства, располагающие сверхсекретной информацией, также первыми примут эту технологию.

 

ЧТО ЕЩЕ МОЖET QUANTUM INTERNET?

 

«Зачем беспокоиться о запутывании?», — можете вы спросить. В конце концов, исследователи могли просто найти способы улучшить «обычную» связь… Квантовые повторители, например, могли бы значительно увеличить дальность связи в волоконно-оптических кабелях, не заходя так далеко, чтобы запутывать кубиты. И это без учета огромного потенциала, который запутанность может иметь для других приложений. QKD — это наиболее часто обсуждаемый пример того, чего может достичь квантовый Интернет, потому что это наиболее доступное приложение этой технологии. Но безопасность — далеко не единственная область, вызывающая ажиотаж среди исследователей.

 

Сеть запутанности, используемая для QKD, также может быть использована, например, для обеспечения надежного способа создания квантовых кластеров из запутанных кубитов, расположенных в различных квантовых устройствах. Исследователям не потребуется особо мощное квантовое оборудование для подключения к квантовому Интернету — фактически, даже однокубитный процессор может справиться с этой задачей. Но, объединив квантовые устройства, которые в своем нынешнем виде имеют ограниченные возможности, ученые ожидают, что они смогут создать квантовый суперкомпьютер, который превзойдет их все.

 

Таким образом, соединив вместе множество меньших квантовых устройств, квантовый Интернет может начать решать проблемы, которые в настоящее время невозможно решить с помощью одного квантового компьютера. Это включает ускорение обмена огромными объемами данных и проведение крупномасштабных экспериментов по зондированию в астрономии, открытии материалов и науках о жизни.

 

По этой причине ученые убеждены, что мы могли бы воспользоваться преимуществами квантового Интернета до того, как технологические гиганты, такие как Google и IBM, даже достигнут квантового превосходства — момента, когда один квантовый компьютер решит проблему, которая является неразрешимой для классического компьютера.

 

Самые продвинутые квантовые компьютеры Google и IBM в настоящее время содержат около 50 кубитов, что само по себе намного меньше, чем необходимо для выполнения феноменальных вычислений, необходимых для решения проблем, которые квантовые исследования надеются решить.

С другой стороны, соединение таких устройств посредством квантовой запутанности может привести к образованию кластеров стоимостью в несколько тысяч кубитов. Для многих ученых создание такой вычислительной мощности на самом деле является конечной целью квантового интернет-проекта.

 

ЧТО НЕ МОЖЕТ QUANTUM INTERNET?

 

В обозримом будущем квантовый Интернет нельзя будет использовать для обмена данными так, как мы сейчас делаем на наших ноутбуках. Представление обобщенного, массового квантового Интернета потребовало бы предвидеть несколько десятилетий (или больше) технологических достижений. Как бы сильно ученые ни мечтали о будущем квантового Интернета, невозможно провести параллели между проектом в его нынешнем виде и тем, как мы просматриваем Интернет каждый день.

Сегодня многие исследования квантовой связи посвящены поиску способов наилучшего кодирования, сжатия и передачи информации с помощью квантовых состояний. Квантовые состояния, конечно же, известны своей необычайной плотностью, и ученые уверены, что один узел может телепортировать большой объем данных.

Но тип информации, которую ученые собираются отправлять через квантовый Интернет, имеет мало общего с открытием почтового ящика и просмотром электронных писем. И на самом деле замена классического Интернета — это не то, что намеревались сделать технология.

Скорее, исследователи надеются, что квантовый Интернет будет рядом с классическим Интернетом и будет использоваться для более специализированных приложений. Квантовый Интернет будет выполнять задачи, которые могут быть выполнены на квантовом компьютере быстрее, чем на классических компьютерах, или которые слишком сложно выполнить даже на лучших суперкомпьютерах, существующих сегодня.

И ЧТО МЫ ЖДЕМ?

Ученые уже знают, как создать сцепление между кубитами, и они даже успешно использовали сцепление для QKD.

Китай, давний инвестор в квантовые сети, побил рекорды по запутанности, вызываемой спутниками. Китайские ученые недавно установили запутанность и достигли QKD на рекордных 745 милях.

Однако следующий этап — это масштабирование инфраструктуры. Все эксперименты до сих пор связали только две конечные точки. Теперь, когда связь точка-точка достигнута, ученые работают над созданием сети, в которой несколько отправителей и несколько получателей могут обмениваться данными через квантовый Интернет в глобальном масштабе.

По сути, идея состоит в том, чтобы найти лучшие способы производить по запросу множество запутанных кубитов на больших расстояниях и между множеством разных точек одновременно. Это гораздо легче сказать, чем сделать: например, для поддержания связи между устройством в Китае и устройством в США, вероятно, потребуется промежуточный узел поверх новых протоколов маршрутизации.

И страны выбирают разные технологии, когда дело доходит до установления запутанности в первую очередь. Пока Китай выбирает спутниковую технологию, оптоволокно — это метод, который предпочитает Министерство энергетики США, которое сейчас пытается создать сеть квантовых ретрансляторов, которые могут увеличить расстояние, разделяющее запутанные кубиты.

В США частицы остаются запутанными через оптическое волокно на 52-мильном «квантовом контуре» в пригороде Чикаго, без необходимости в квантовых повторителях. Сеть скоро будет подключена к одной из лабораторий Министерства энергетики для создания 80-мильного квантового испытательного стенда.

 

В ЕС в 2018 году был сформирован Quantum Internet Alliance для разработки стратегии квантового Интернета, который в прошлом году продемонстрировал запутанность на расстоянии более 31 мили.

 

Для квантовых исследователей цель состоит в том, чтобы сначала масштабировать сети до национального уровня, а однажды даже до международного. Подавляющее большинство ученых согласны с тем, что это вряд ли произойдет раньше, чем через пару десятилетий. Квантовый Интернет, без сомнения, является очень долгосрочным проектом, и многие технические препятствия все еще остаются на его пути. Но неожиданные результаты, которые неизбежно принесет технология, станут бесценным научным путешествием с множеством диковинных квантовых приложений, которые на данный момент даже невозможно предсказать.

Что такое квантовый интернет? Все, что вам нужно знать о странном будущем квантовых сетей: 1 комментарий

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

GPD ХОСТИНГ КОНТАКТЫ
GPD ХОСТИНГ СОЦ.СЕТИ
МЕТОДЫ ОПЛАТЫ