MIT: Европа стремится создать неиссякаемый квантовый Интернет

TСкоростной поезд из Парижа в Роттердам опоздал на час с Гар-дю-Нор. Когда он, наконец, сдал меня в голландский город, я обнаружил, что поезд до Делфта был приостановлен из-за работ по техническому обслуживанию на путях. Потребовалось два объездных автобуса и поездка на такси, прежде чем я наконец добрался до места назначения.

Учитывая, что я был там, чтобы узнать о будущем коммуникаций, это казалось уместным. Моя поездка была напоминанием о том, что, хотя доставка людей с места на место по-прежнему сопряжена с непредвиденными сбоями, гигантские объемы данных проходят бесперебойно и быстро весь день, каждый день через оптоволоконные кабели, соединяющие города, страны и целые континенты.

И все же у этих сетей передачи данных есть слабость: их можно взломать. Среди секретных документов, обнародованных несколько лет назад подрядчиком Агентства национальной безопасности США Эдвардом Сноуденом, были документы, свидетельствующие о том, что западным спецслужбам удалось подключить кабели связи и шпионить за огромным количеством трафика, проходящего через них.

Исследовательский институт, который я посещал в Делфте, QuTech, работает над системой, которая может сделать такой вид наблюдения невозможным. Идея состоит в том, чтобы использовать квантовую механику для создания безупречно защищенной сети связи между Делфтом и тремя другими городами в Нидерландах к концу 2020 (смотри запланированные ссылки на карте ниже).

Исследователи QuTech, возглавляемые Стефани Венер и Рональдом Хансоном, все еще сталкиваются с рядом сложных технических проблем. Но если они преуспеют, их проект может стать катализатором будущего квантового интернета - во многом так же, как Arpanet, созданный Министерством обороны США в конце 1960, вдохновил на создание интернета, каким мы его знаем сегодня.

Неподражаемые кубиты

Интернет уязвим для взлома, обнаруженного Сноуденом, потому что данные по-прежнему передаются по кабелям в виде классических битов - потока электрических или оптических импульсов, представляющих 1s и 0s. Хакер, которому удается подключиться к кабелям, может прочитать и скопировать эти биты в пути.

С другой стороны, законы квантовой физики позволяют частице - например, атому, электрону или (для передачи по оптическим кабелям) фотону света - занимать квантовое состояние, которое представляет собой комбинацию 1 и 0 одновременно. Такая частица называется квантовым битом или кубитом. Когда вы пытаетесь наблюдать кубит, его состояние «разрушается» до 1 or 0, Это, объясняет Венер, означает, что если хакер подключается к потоку кубитов, злоумышленник уничтожает квантовую информацию в этом потоке и оставляет четкий сигнал, что он был подделан.

Из-за этого свойства кубиты использовались в течение достаточно долгого времени для генерации ключей шифрования в процессе, известном как распределение квантовых ключей (QKD). Это включает в себя отправку данных в классической форме по сети, в то время как ключи, необходимые для расшифровки данных, передаются отдельно в квантовом состоянии.

Китай продемонстрировал несколько впечатляющих применений QKD. В прошлом году он использовал спутник под названием Micius для передать квантовые ключи до двух наземных станций, одна в Пекине, а другая в Вене. Затем ключи использовались для расшифровки классических данных для безопасного видеовызова между двумя городами. Любая попытка перехватить сообщение, содержащее ключи, уничтожило бы их, сделав невозможным для шпионов (или кого-либо еще) расшифровать видеозвонок. Китай также построил наземную сеть связи QKD из Пекина в Шанхай, которую банки и другие компании используют для передачи конфиденциальных коммерческих данных.

Тем не менее, подход имеет ограничения. Фотоны могут поглощаться в атмосфере или материалами в кабелях, что означает, что они обычно могут путешествовать не более нескольких десятков километров. Сеть Пекин-Шанхай справляется с этим, имея в разных точках 32 так называемые «доверенные узлы» - подобно ретрансляторам, которые усиливают сигнал в обычном кабеле передачи данных. В этих узлах ключи расшифровываются в классическую форму, а затем повторно шифруются в новом квантовом состоянии для их перехода к следующей точке маршрута. Но это означает, что доверенным узлам действительно нельзя доверять. Хакер, который нарушает их безопасность, может скопировать классические ключи незамеченными, как и компания или правительство, управляющее узлами.

Квантовая телепортация

Венер, Хансон и их коллеги из QuTech стремятся преодолеть эти ограничения, чтобы создать полностью безопасный квантовый интернет.

Используемый ими подход называется квантовой телепортацией. Это может звучать как научная фантастика, но это реальный метод передачи данных. Он основан на явлении, известном как квантовая запутанность.

Запутывание означает создание пары кубитов - фотонов света для этой цели - в одном квантовом состоянии, так что даже если они движутся в противоположных направлениях, они сохраняют квантовую связь. Изменение состояния одного фотона мгновенно изменит его состояние предсказуемым образом, независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга. Альберт Эйнштейн назвал это «жутким действием на расстоянии».

Квантовая телепортация, следовательно, требует сначала посылать пару запутанных фотонов двум людям - назовите их Алиса и Боб. Алиса получает запутанный фотон и позволяет ему взаимодействовать с «кубитом памяти», который содержит данные, которые она хочет передать Бобу. Это взаимодействие меняет состояние ее фотона и, таким образом, также меняет состояние фотона Боба. По сути, это «телепортирует» данные из кубита памяти Алисы от фотона Алисы к фотонке Боба. На иллюстрации ниже процесс описан немного подробнее.

Другой способ думать об этом: запутанная пара фотонов похожа на два конца виртуального одноразового кабеля для передачи данных. Каждый раз, когда Алиса и Боб хотят отправить данные, они сначала получают новый кабель, и, поскольку каждый из них имеет один конец, только они могут использовать его. Вот что делает его защищенным от подслушивания.

Прочитайте полную историю здесь…