Top.Mail.Ru
СБЕР Про | Медиа
Наука и жизнь. Как квантовые сети превращаются из научной проблемы в бизнес-проект
  • Интересное

Наука и жизнь. Как квантовые сети превращаются из научной проблемы в бизнес-проект

  • 6 мин
  • 1 681

Год назад Google заявила о достижении «квантового превосходства». Созданный компанией квантовый компьютер в сотни тысяч раз быстрее справился с операцией, которая потребовала бы от самого мощного современного суперкомпьютера 10 000 лет (по версии самой Google) или «всего» двух дней работы (по мнению его производителя, IBM). Кажется, Google выпустила джинна из бутылки. В течение всего 2020 года новости о разработках в области квантового компьютинга, сугубо научной прежде темы, стали появляться с завидной частотой и регулярностью.

Создание квантовых компьютеров — это только одна сторона проблемы. Другой стороной является не менее увлекательная приключенческая повесть о квантовых сетях и даже квантовом интернете — принципиально новых коммуникациях, которые способны изменить представления и о скорости передачи информации, и о безопасности этих процессов. И, как во всяком описании приключения, здесь есть два самостоятельных сюжета.

Сюжет первый, научно-фантастический

Итак, квантовые сети, так же, как и квантовые компьютеры и сенсоры, — составная часть одной крупной научной проблемы. Их работа основана на использовании для обработки и передачи данных принципов квантовой механики. Обычный принцип представления информации, в битах, которые имеют значение либо 0, либо 1, здесь заменяется на новый, в кубитах, которые могут иметь уже не одно, а оба значения — и 0, и 1. Это позволяет квантовым компьютерам одновременно обрабатывать все возможные значения, делая это в десятки и сотни раз быстрее двоичных компьютеров, которые мы используем сегодня.

Тот же принцип, замена битов кубитами, используется и в квантовых сетях. В них кубиты — поляризованные элементарные частицы, фотоны, транслируемые по оптоволоконным каналам, по воздуху и даже в космосе.

Главное достоинство квантовых сетей — их практически 100-процентная безопасность. Она основана на том, что фотоны, транслируемые по квантовой сети, невозможно прочитать дважды. Если кому-то и удастся «поймать» кубит и прочитать его, то он тут же изменит своё значение. А злоумышленник получит только набор ничего не значащих цифр. Чрезвычайная «нежность» фотонов и их неустойчивость делают квантовую сеть практически неприступной, а защиту информации почти абсолютно надёжной.

«Почти» — потому что вероятность прослушки квантовой сети всё-таки существует. Некоторые исследователи считают, что это станет возможным, если преступники сумеют сымитировать квантовый шифр. Правда, и решение проблемы уже почти готово. Для этого достаточно использовать каналы связи не из одной оптоволоконной «нитки», а из двух. Правда, и стоимость квантовых сетей при этом заметно увеличится.

Фотоны отличаются чрезвычайной хрупкостью, что делает защиту информации, передаваемой по квантовым сетям, практически стопроцентной. Но та же уязвимость кубитов несёт и главную угрозу безопасности.

Дело в том, что уязвимость фотонов не позволяет передавать их по оптоволоконным сетям на расстояние свыше 100 километров. А этого, конечно же, недостаточно для того, чтобы всерьёз заниматься строительством квантовых сетей в «промышленных» масштабах. И для того, чтобы построить более протяжённую сеть, приходится использовать ретрансляторы, которые декодируют полученную информацию, снова кодируют её и отправляют дальше, до следующего узла.

Представим себе, что некий злоумышленник получил доступ к ретранслятору. Исключать вероятность этого нельзя, даже если каждый из узлов квантовой сети будет полностью изолирован от внешнего доступа и охраняться надёжнее, чем Форт-Нокс. Опыт успешной операции «Олимпийские игры» (кибератаки израильских спецслужб на информационные системы иранских атомных объектов) это лишний раз подтверждает. Значит, в момент прохождения информации через ретранслятор информация может стать уязвимой, а использование квантовой сети столь же рискованным, как и обычной.

Говоря сегодня о квантовых сетях, мы больше касаемся научных, а не практических проблем. Профессор Владимир Крылов, научный консультант компании Artezio, отмечает, что «практический интерес представляет квантовый интернет как стек технологий, а не как явление. Сегодня мы можем говорить о разработках только в пределах некоторой узкой технологии распространения ключей для обеспечения безопасности взаимодействия узлов сети». Более того, в обозримом будущем не идёт речи о том, что квантовые сети придут на смену современному интернету. Крылов ссылается на мнение многих учёных, считающих, что квантовый интернет будет существовать параллельно с world wide web и использоваться для решения специализированных задач. «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», — добавляет он.

и 0, и 1

значение, которое может принимать кубит

Владимир Крылов,

профессор, научный консультант компании Artezio

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

Сюжет второй, практический

Да, квантовый компьютинг в целом и квантовые сети как составляющая остаются скорее теоретической, нежели практической проблемой. И тем не менее в исследованиях квантового компьютинга принимают участие и крупнейшие корпорации, и государства. А там, где в игру вступают не только учёные, но и будущие поставщики и заказчики, речь идёт уже не только о науке, но и перспективах воспользоваться плодами исследований.

В 2018 года в США был принят Закон о национальной квантовой инициативе, предусматривающий выделение 1,2 млрд долларов на подобные исследования, сети хабов, объединяющих ведущие исследовательские университеты и крупнейшие корпорации Америки, включая IBM, Intel и Microsoft. Очередной этап финансирования исследований стартовал в августе. Министерство энергетики США объявило о выделении 625 млн долларов на развитие специализированных научных центров, возглавляемых национальными лабораториями Аргонна, Брукхейвена, Ферми, Лоуренса Беркли и Ок-Риджа. При этом в списке отсутствуют два других бизнес-гиганта, далеко продвинувшихся в области изучения квантового компьютинга, — Alphabet (материнская компания Google) и Honeywell International. Они самостоятельно финансируют исследования и имеют собственные подразделения, занимающиеся развитием квантовых вычислений.

США отнюдь не единственный участник квантовой гонки. Заинтересованность в развитии квантовых вычислений проявляют практически все государства, располагающие профильным научным потенциалом. В 2016 году квантовая инициатива Quantum Flagship запущена в Евросоюзе, в её рамках на финансирование двадцати проектов выделен 1 млрд евро. В том же году 1 млрд долларов на создание и развитие квантовой лаборатории выделил Китай. При этом в Поднебесной уже достаточно далеко продвинулись и в практической реализации: в 2017 году Китайская академия наук запустила первый спутник квантовой связи, а между Пекином и Шанхаем в том же году была проложена квантовая сеть длиной в 2000 километров. Правда, передавать она может совсем небольшие объёмы информации и потому используется только для обмена ключами шифрования.

Ещё одним игроком формирующегося квантового рынка стремится стать и Россия. В нашей стране в 2019 году была составлена «Дорожная карта развития „сквозной“ цифровой технологии „Квантовые технологии“» с общим объёмом финансирования в 51,1 млрд рублей. Программа, определяемая дорожной картой, предусматривает три направления исследований: квантовые вычисления, квантовые коммуникации и квантовые сенсоры. Кураторами этих направлений стали соответственно «Росатом», РЖД и «Ростех», составившие собственные программы проведения и финансирования исследований.

В том, что именно РЖД стали «головной» организацией, курирующей исследования в области квантовых сетей нет никакой случайности. Компания эксплуатирует около 75 000 километров оптоволоконных сетей, проложенных вдоль железных дорог, подчёркивает заместитель начальника департамента квантовых коммуникаций РЖД Павел Дорожкин. И это создаёт «идеальный плацдарм для строительства и эксплуатации квантовых сетей, размещения промежуточных узлов». По его мнению, РЖД может в перспективе стать и их первым эксплуатантом: необходимость обслуживания развитой инфраструктуры компании может сама по себе стать отличным триггером будущего рынка квантовых сетей. При этом РЖД обладает и собственной инновационной инфраструктурой, и собственными исследовательскими подразделениями.

Дорожная карта по квантовым коммуникациям была разработана профильным департаментом РЖД и утверждена правительственной комиссией по цифровому развитию в сентябре этого года. Она содержит более 120 мероприятий и проектов, которые должны быть реализованы до 2024 года. Павел Дорожкин считает, что целевые показатели дорожной карты весьма амбициозны. Это — построение квантовых сетей, как оптоволоконных, так и атмосферных и космических, показатели по патентной активности и т. д. В результате Россия должна войти в тройку лидеров по уровню развития технологий и объёма предоставляемых услуг на базе квантовых сетей.

При этом сама компания намерена уже в следующем году запустить пилотную зону квантовой сети на собственной инфраструктуре. Она разрабатывается ИТМО, а финансирует проект РВК, предоставившая университету грант в 300 млн рублей. Впрочем, сотрудничеством с ИТМО РЖД не ограничивается. В свой профильный департамент компания пригласила, по словам Павла Дорожкина, в качестве консультантов и сотрудников специалистов из МГУ, МПГУ, Сколтеха и других университетов, специализирующихся на фотонике и квантовых технологиях. Правда, как подчёркивает Дорожкин, собственные разработки компания вести пока не намерена. Её роль ограничена применением собственного опыта по их организации, координации и развитию рынка.

51 млрд ₽

объем финансирования исследований квантовых технологий в России

29 сентября «Росатом» и «Ростелеком» объявили о реализации пилотного проекта создания волоконно-оптической линии связи с применением технологии квантового распределения ключей шифрования. Она связала два московских офиса госкорпораций. «Реализованное в рамках проекта решение продемонстрировало высокий уровень готовности, возможности его применения на сетевой инфраструктуре и соответствие предъявляемым требованиям. В частности, при проведении пилотного проекта был смоделирован разрыв квантового канала, успешно проверена работоспособность буфера хранения секретных ключей, которые используются в случаях временной недоступности квантового канала. Эффективно установлено соединение по открытому аутентифицированному каналу, а также достигнута устойчивая работа системы, что подтвердило нагрузочное тестирование», — говорится в совместном пресс-релизе компаний.

Эта статья была вам полезна?

Читайте ещё