В ближайшие десятилетия развитие квантовых компьютеров может поставить под угрозу современные методы шифрования – достаточно мощный квантовый компьютер способен взломать классические криптосистемы вроде RSA практически мгновенно. Именно поэтому учёные активно ищут новые способы защищённой связи. Одним из самых перспективных вариантов считается квантовая передача данных – информация, закодированная в состояниях квантовых частиц (фотонов, ионов и т.д.). Квантовая связь обещает принципиально новый уровень безопасности: при попытке перехвата квантовый сигнал неизбежно изменится, и это сразу будет обнаружено отправителем и получателем. Уже достигнут значительный прогресс: созданы прототипы квантовых сетей в Европе, запущены первые квантовые спутники (Китайский Micius) для глобальной связи, а в Чикаго опробована 150-километровая квантовая линия связи. Квантовый интернет может быть гораздо ближе, чем кажется на первый взгляд. Ниже мы подробно рассмотрим, как устроена передача данных на квантовом уровне, какие первые квантовые сети уже созданы и какие перспективы открывает эта технология.
Механизм передачи данных на квантовом уровне
Для передачи данных квантовым образом используются кубиты – квантовые биты, которые могут находиться в состоянии 0 и 1 одновременно (суперпозиция) до момента измерения. Информация может быть закодирована, например, в параметрах одиночных фотонов – поляризации или фазе. Ключевой квантовый феномен, на котором основывается передача данных, – это квантовая запутанность. В запутанном состоянии свойства двух частиц неразрывно связаны, даже если частицы разделены большим расстоянием. Изменение состояния одной моментально влияет на состояние другой – эту странную «связь на расстоянии» Альберт Эйнштейн называл «жутким действием» (spooky action at a distance). Запутанные частицы позволяют реализовать квантовую телепортацию – передачу квантового состояния от одного узла к другому без перемещения самой частицы.
В эксперименте квантовой телепортации отправитель (назовём его Алиса) и получатель (Боб) заранее обмениваются парой запутанных частиц. Чтобы передать произвольный квантовый бит, Алиса проводит специальное квантовое измерение (так называемое измерение Белла) над своим неизвестным состоянием и своей запутанной частицей. В результате измерения первоначальное квантовое состояние «стирается» у Алисы и появляется у Боба – кубит телепортируется. Правда, для завершения передачи Алисе нужно отправить Бобу два классических бита информации (результаты измерения), после получения которых Боб применяет к своей частице соответствующее квантовое преобразование. Таким образом, квантовая телепортация требует и квантового, и классического канала связи. Важнейшее отличие от обычной передачи данных в том, что квантовый сигнал очень хрупок: вместо миллионов фотонов, как в классических оптических каналах, здесь используется одиночный фотон, легко теряющийся в линии связи. Малейшее взаимодействие с внешней средой разрушает квантовое состояние – этим объясняется одновременно и защищённость квантовой связи (любая попытка перехвата заметна), и техническая сложность её реализации на больших расстояниях.
Основная задача квантовой передачи – доставить запутанные частицы или одиночные фотоны от отправителя к получателю, сохранив их состояние. Существуют два подхода: квантовое распределение ключей (QKD) и обмен запутанностью. В протоколах QKD (например, знаменитый BB84) передаются одиночные фотоны с разными поляризациями, которые составляют случайный секретный ключ. Если злоумышленник попытается их перехватить, квантовая природа сигнала выдаст попытку – детекторы заметят изменение состояния фотонов. QKD уже продемонстрирован в опытах на расстояниях в десятки и сотни километров. Однако QKD решает только задачу обмена ключами, а не передачу произвольных данных. Для отправки собственно информации на квантовом уровне нужен более общий механизм – сеть узлов, между которыми распределяются запутанные состояния. В такой сети данные (например, зашифрованные сообщения или результаты вычислений) передаются в форме квантовых сигналов, а не привычных битов.
Как же практически организовать передачу квантовых сигналов? В небольших масштабах возможно прямое соединение: например, оптоволокно между двумя узлами, по которому посылаются одиночные запутанные фотоны. Но из-за потерь в оптоволокне дальность прямой квантовой линии без усиления ограничена примерно ~100 км. В классических сетях проблему решают ретрансляторы сигнала, но в квантовом мире нельзя просто скопировать неизвестное квантовое состояние (запрещено теоремой о запрете клонирования). Поэтому создаётся концепция квантового повторителя. Квантовые повторители – это промежуточные узлы, которые сами являются квантовыми системами с памятью. Они позволяют пошагово распространять запутанность по сегментам сети: узел А запутывается с узлом B, B с C, затем с помощью специальной процедуры (обмен запутанностью) связь «склеивается» – в результате узлы A и C оказываются запутаны напрямую. Такой обмен запутанностью (entanglement swapping) был недавно продемонстрирован учёными в Делфте, и он является ключевым строительным блоком для будущего масштабного квантового интернета. В экспериментальной трёхузловой сети QuTech (Нидерланды) реализовано именно это: центральный узел (Боб) последовательно запутывается с двумя удалёнными узлами (Алиса и Чарли), сохраняя первый квантовый канал в памяти, затем проводит квантовую операцию, чтобы «переключить» запутанность между Алисой и Чарли. После успешного установления канала система посылает сигнал-флаг, оповещающий, что узлы теперь запутаны. Далее полученное запутанное состояние можно использовать по своему усмотрению – например, для обмена секретным ключом шифрования, для распределённого квантового вычисления или любого другого квантового протокола.
Первые квантовые сети: от лабораторий к спутникам
Первые шаги к квантовым сетям начались с экспериментов по квантовому распределению ключей. Уже в 2003 году в рамках проекта DARPA была запущена первая опытная квантовая сеть из 10 узлов в окрестностях Бостона (Кембридж, США). Эта сеть работала с 2003 по 2007 год и связала несколько университетов с использованием оптоволокна под городскими улицами. Она была предназначена для QKD и не имела квантовых повторителей, однако стала важной демонстрацией того, что квантовые протоколы могут работать в масштабах сети, а не только на одной линии. DARPA Quantum Network успешно раздавала криптографические ключи между различными узлами и даже позволила протестировать «квантового взломщика» – имитацию атаки на связь. По словам исследователей DARPA, развитие более общих квантовых сетей с использованием повторителей могло бы привести к последствиям, которые они назвали «почти непостижимыми». Иными словами, уже тогда было понятно, что масштабируемый квантовый интернет откроет колоссальные возможности – от не поддающейся взлому связи до распределённых вычислительных сетей.
Следующим крупным шагом стала реализация квантовых сетей на больших расстояниях. В 2016 году Китай запустил первый в мире квантовый спутник связи Micius (миссия QUESS). Спутник сумел установить квантовую связь с наземными станциями на расстоянии свыше 1200 км, передав запутанные пары фотонов и осуществив распределение квантовых ключей между континентами. Уже в сентябре 2017 года с помощью Micius была проведена первая межконтинентальная видеоконференция, полностью защищённая квантовым шифрованием – между Пекином и Веной. Этот эксперимент продемонстрировал принципиальную осуществимость глобального квантового канала связи. “Используя квантовую запутанность, Micius обеспечивает абсолютно безопасную, не поддающуюся перехвату коммуникацию,” – отмечалось в пресс-релизе. Китайские учёные тем самым достигли ранее недосягаемой дальности для квантовой связи: до появления спутника квантовые каналы работали лишь на сотню километров по оптоволокну.
Помимо спутниковой связи, активно развиваются и наземные квантовые сети. В Европе в 2008 году была испытана городская сеть квантового распределения ключей в Вене, в Японии создана токийская сеть QKD, а в Швейцарии – сеть SwissQuantum в Женеве. В последние годы особый прогресс достигнут в Нидерландах: в 2021 году команда QuTech (Делфтский технологический университет) впервые связала три квантовых процессора в единую сеть с помощью запутанных состояний. В этой трехузловой сети, о которой говорилось выше, были успешно реализованы два ключевых квантовых сетевых протокола, а результаты опубликованы в журнале Science. «Квантовый интернет откроет целый ряд новых приложений – от не поддающейся взлому связи и облачных вычислений с полной конфиденциальностью до сверхточной синхронизации времени – и, вероятно, множество приложений, которые мы пока даже не можем предсказать», — отметил участник эксперимента Маттео Помпили. Действительно, как и в случае с обычным интернетом 40 лет назад, полный потенциал квантовых сетей пока трудно вообразить.
Еще одно достижение было совершено в США: в декабре 2020 года физики из Фермилаб и Калтех сообщили о квантовой телепортации на расстояние 44 километров по обычному оптоволокну с рекордно высоким качеством (фidelity ~90%). А в 2024 году ученые из Северо-Западного университета (США) впервые осуществили квантовую телепортацию по загруженной линии связи, задействовав оптоволоконный кабель длиной 30 км, по которому параллельно шёл обычный интернет-трафик. Это важный шаг: он показывает, что существующая инфраструктура может быть использована для квантовых сетей. Ранее считалось невозможным передавать запутанные фотоны по занятым каналам из-за шумов от классического сигнала, разрушавших квантовые состояния. Однако исследователи нашли способ минимизировать помехи, подобрав особую длину волны для квантовых фотонов и добавив специальные фильтры. В эксперименте им удалось телепортировать квантовое состояние с вероятностью успеха более 80% даже на фоне интенсивного 400-гигабитного трафика. Этот прорыв говорит о том, что классические и квантовые коммуникации способны сосуществовать в одном оптоволокне. «Наши результаты прокладывают путь к объединённой инфраструктуре, где квантовые и обычные сети работают по единому оптоволоконному кабелю», – отметил профессор Прем Кумар, руководитель проекта.
Сегодня локальные квантовые сети действуют в ряде научных центров. В Чикаго создан тестовый кольцевой сегмент длиной ~150 км (проекты Q-Loop и CQE), объединяющий несколько лабораторий. Похожие тестовые линии есть в Бостоне, Вене, Токио и других городах. Эти эксперименты позволяют отрабатывать технологии квантовых повторителей, источников одиночных фотонов, квантовых памяти – словом, всей инфраструктуры, необходимой для масштабного квантового интернета. «Первые локальные квантовые сети для экспериментов у нас уже есть, осталось расширить и отточить технологию», отмечают обозреватели, подчеркивая, что теперь задача в том, чтобы научиться быстро и дёшево интегрировать квантовую инфраструктуру в существующие волоконно-оптические сети.
Когда передадим первый квантовый «бит» и что для этого нужно?
Хотя исследования идут полным ходом, полноценный квантовый интернет всё ещё находится в зачаточном состоянии. Пока нет единого мнения, что именно считать квантовым интернетом: «Люди любят употреблять термин “квантовый интернет”, но никто не даст точного определения этому понятию», признаётся физик Томас Йенневайн из Университета Ватерлоо. Тем не менее, эксперты сходятся во мнении, что в ближайшие годы мы увидим всё более сложные квантовые сети. По оценке известного физика Пан Цзяньвэя, руководителя китайского проекта QUESS, через ~13 лет после запуска первого спутника – то есть к 2030 году – квантовая коммуникационная сеть охватит ведущие страны мира, породив новый, квантовый интернет. Иными словами, уже к началу следующего десятилетия может появиться возможность передавать информацию между удалёнными пользователями именно квантовым способом. Вероятно, изначально это будут специализированные каналы для правительственной или научной связи, где передаются квантово зашифрованные сообщения и ключи. Первый «бит» квантовой информации в реальных условиях, по сути, уже был передан – этому посвящены описанные выше эксперименты (например, видеозвонок Пекин–Вена в 2017 году с квантовым шифрованием). Однако речь идёт о штучных демонстрациях. Полноценная же квантовая сеть с многими узлами и пользователями может появиться в ограниченном масштабе к концу 2020-х годов, а ее глобальная версия – в 2030-е.
Что необходимо, чтобы сделать квантовый интернет реальностью? Помимо очевидного – продолжения фундаментальных исследований – требуются инженерные решения для целого ряда новых технологий. Во-первых, нужны надежные источники запутанных фотонов и одиночных фотонов на требуемой длине волны (близкой к телекоммуникационным стандартам ~1550 нм, чтобы минимизировать потери в оптоволокне). Во-вторых, требуются чувствительные детекторы одиночных фотонов и устройства для манипуляции квантовыми состояниями (фазовые модуляторы, кристаллы для параметрического превращения и т.д.). В-третьих, крайне важна разработка квантовой памяти – устройств, способных сохранять квантовое состояние достаточно долго, чтобы можно было синхронизировать процесс распределения запутанности между узлами. Пока рекорд хранения запутанного состояния составляет менее 1 часа, и учёные продолжают искать материалы (например, кристаллы с примесями редкоземельных элементов, центры азота-вакансия в алмазе и др.), которые могли бы служить надёжной квантовой памятью.
Наконец, главный компонент будущей глобальной сети – это квантовые повторители. Они представляют собой квантовые устройства, объединяющие функции источника, детектора и памяти. Задача повторителя – получать запутанные пары от соседних узлов и выполнять обмен запутанностью, удлиняя «цепочку» квантовой связи без измерения самих квантовых данных. Полностью работающих квантовых повторителей пока не создано, но прототипы отдельных узлов уже существуют. Например, упомянутая сеть в Делфте фактически функционирует как повторитель: средний узел (Боб) временно хранит квантовую информацию, что позволило связать Алису и Чарли. Дальнейшее улучшение таких систем – увеличение времени хранения и эффективности передачи – находится в фокусе многих проектов. По оценке участников DARPA Quantum Network, внедрение квантовых повторителей действительно станет переломным моментом: сеть с повторителями может соединять города и страны, а её последствия для технологий они назвали «почти непостижимыми». Другими словами, квантовые повторители откроют дорогу к масштабированию квантовых сетей.
Помимо аппаратных инноваций, нужны и стандарты – протоколы обмена квантовой информацией между устройствами разных типов. Если классический интернет опирается на стек протоколов (TCP/IP и пр.), то для квантового интернета тоже разрабатывается аналогичный сетевой стек. Уже появляются первые проекты стандартов и интерфейсов для квантовых сетей (например, Quantum Internet Alliance в ЕС занимается этой задачей). Необходимо согласовать, как будут помечаться и маршрутизироваться квантовые пакеты, как синхронизировать классический и квантовый каналы, как обеспечивать совместимость разных реализованных технологий (оптических, спутниковых, на атомных ловушках и т.п.).
Наконец, важен и прикладной вопрос: где квантовая сеть действительно нужна? Скорее всего, первые квантовые линии найдут применение там, где требуется абсолютная гарантия безопасности связи – в правительственной, военной сфере, в банковском секторе. Уже сейчас коммерчески доступны устройства для квантового распределения ключей, и банковские операции в некоторых странах защищаются QKD-системами. В будущем квантовый интернет, вероятно, понадобится для объединения крупных квантовых вычислительных центров. Квантовые компьютеры вряд ли появятся у каждого дома, но их можно будет арендовать как облачный сервис; при этом квантовая сеть обеспечит удалённый доступ к ним с сохранением квантовой природы вычислений. Так, пользователи смогут подключаться к облачному квантовому серверу и решать задачи быстрее, чем на классических суперкомпьютерах, причём квантовая сеть позволит сделать это конфиденциально (протоколы слепых квантовых вычислений уже показали, что квантовый сервер может считать, не узнавая входных данных). Также обсуждаются приложения в квантовых датчиках и метрологии: связав воедино многие квантовые датчики через сеть, можно добиться сверхчувствительных распределённых измерений (например, для астрономии или геофизики).
Несмотря на перспективы, следует трезво оценивать и ограничения. Квантовый интернет не предназначен для замены обычного интернета во всех задачах. Он гораздо более узкоспециализирован. «В большинстве случаев люди не будут нуждаться в квантовых сетях. Пользователям привычнее пользоваться обычным интернетом», отмечает физик Кай-Мей Фу из Вашингтонского университета. Скорость передачи квантовых данных пока невелика, и для пересылки, скажем, видео или социальных сетей квантовые принципы избыточны. Скорее всего, квантовая связь будет работать параллельно с обычной и задействоваться только для тех операций, где требуется квантовая гарантия безопасности или объединение квантовых вычислителей. Тем не менее, развитие квантовых сетей идёт полным ходом, и каждая возникшая техническая проблема становилась стимулом для новых исследований в области квантовой физики.
Заключение. Значение первых квантовых сетей и перспективы
Мы живём в начале эры квантовых коммуникаций. Первые квантовые сети, созданные в последние ~20 лет, подобны ARPANET в истории интернета – они небольшие и экспериментальные, но демонстрируют принципиальную возможность нового типа связи. Проект DARPA показал, что квантовые ключи можно распределять по сети из многих узлов. Спутник Micius доказал, что квантовая связь может охватить весь земной шар. Опыты в Делфте, Чикаго и других центрах продемонстрировали работу запутанных сетей и телепортацию в реальных условиях. Значение этих достижений трудно переоценить. Как отмечалось, квантовый интернет откроет доступ к новым приложениям – от абсолютно защищённой связи до распределённого квантового облака и сверхточных сенсорных сетей. Вероятно, появятся и совершенно неожиданные области применения, подобно тому как изобретатели классического интернета не могли предсказать появления веб-сайтов, соцсетей или стримингового видео.
Путь к глобальному квантовому интернету, впрочем, остаётся долгим. Предстоит решить множество научных и инженерных задач: увеличить дальность и стабильность квантовых каналов, создать узлы-повторители, стандартизировать протоколы. Но прогресс идёт быстро. Ещё недавно передача квантового бита между городами казалась фантастикой, а сегодня запутанные фотоны путешествуют между Пекином и Веной, Чикаго и Нью-Йорком. Если прогнозы сбудутся, то уже к началу 2030-х годов первые пользователи смогут отправить «бит» информации через квантовую сеть. Возможно, это будет сообщение, защищённое квантовым шифрованием, или распределённый квантовый вычислительный запрос. Квантовый интернет станет новым слоем коммуникаций, работающим бок о бок с обычным интернетом и обеспечивающим те задачи, где классические технологии подходят к фундаментальному пределу. Как и в случае любых революционных технологий, трудно заранее оценить все последствия. Но одно можно сказать уверенно: квантовая передача информации обещает качественно новый способ передачи информации, расширяющий наши коммуникационные возможности и обеспечивающий уровень безопасности, ранее недостижимый в классических сетях.
Теги: квантовая связь, квантовый интернет, квантовые сети, квантовая телепортация, квантовые повторители, квантовая криптография.
