Нет, известный алгоритм работы квантового распределения ключей с Алисой, Бобом и Евой я тут повторять не буду. Это объяснение достаточно широко распространено в Интернете. Даже на Ютьюбе есть что посмотреть, например, на тему протокола bb84 decoy state, реализующему этот алгоритм.
Статья будет проще, для тех, кто не уловил суть моей предыдущей статьи «Что такое квантовая линия связи?». В ней я сообщил о начале работы в 2021 году т.н. линии квантовой связи между Москвой и Санкт-Петербургом, протяженность. 700 км (что делает ее самой крупной в Европе), а также о действующей линии Москва — Нижний Новгород.
В той же статье я дал описание сути работы этой линии, но, видимо, не совсем удачно. Судя по комментариям, многие читатели не поняли отличие т.н. квантовых линий от обычных. Более того, из-за непонимания сути описываемой технологии с одновременным очень частым упоминанием слова «квантовый» в СМИ, у людей возникает естественное неприятие этого слова, которое ставится ими в один ряд с такими словами, как, например, «нанотехнологии», имеющие благодаря некоторым ныне бежавшим из страны Чубайсам (и благодаря некоторым ещё оставшимся тоже) негативную коннотацию.
В этой статье я постараюсь ответить на некоторые возникшие вопросы и пояснить тонкие моменты более конкретно.
Что за квантовая линия связи?
Это её так называют многие журналисты для упрощения. Так сказать, крупный мазок, чтобы среднестатистический читатель лучше понял, что линия имеет какое-то отношение к новым технологиям, но не испугался бы кучи незнакомых терминов (в 90-е расслабились мы с техническим образованием и выросло то, что выросло).
Правильнее называть такие линии оптическими линиями связи с квантовым распределением ключей шифрования. Но для большинства это уже слишком сложно. А СМИ ориентируется на большинство. Впрочем, справедливости ради, и такое название тоже можно встретить. Но эту разносортицу надо ещё как-то увязать в своём сознании в единое целое.
Итак, о чём речь? Есть обычная линия оптической связи — ВОЛС (волоконно-оптическая линия связи), проще говоря — обычный оптоволоконный кабель с соответствующим оборудованием на концах линии. По линии могут передаваться различные данные граждан между различными ведомствами, чтобы в типовых случаях не гонять самих граждан по разным ведомствам, как это было раньше. Так называемая цифровизация госуслуг.
Так вот, при передаче по ВОЛС эти данные сжимаются, шифруются и передаются световыми импульсами по оптоволокну. Для шифровки применяются алгоритмы на основе открытого ключа, которые теоретически, используя квантовый компьютер или много времени, можно рано или поздно расшифровать.
Поскольку впереди грядёт эра квантовых компьютеров, способных находить нужное значение очень быстро, производя «перебор» ключей параллельно на фундаментальном физическом уровне, к этому нужно подготовить и криптографию.
Решением могло бы стать распределение закрытых ключей шифрования между собеседниками по очень защищённому, в том числе физически, каналу связи, и поддерживать этот канал в таком состоянии в течение всего сеанса, ибо ключи шифрования могут меняться при передаче данных несколько раз в секунду. Но организовать такой канал очень непросто.
И вот возник третий вариант — распределять закрытый ключ шифрования по открытому каналу, но так, что благодаря квантовым законам микромира его нельзя было бы перехватить незаметно. Любой перехват может быть детектирован одной из сторон, и ключ становится скомпрометированным и не подлежащим для использования.
То есть, квантовая линия связи — это самая обычная оптическая линия, но по которой передаются данные, зашифрованные ключами шифрования, вырабатываемыми квантовым способом, заключающимся в передаче информации ключей квантами света, состояние которых при перехвате меняется, что и обнаруживается собеседниками.
При этом кванты могут передаваться как по тому же самому оптоволокну (есть специальные технологии такого мультиплексирования), так и по соседнему в кабеле, а также по специально выделенному специальному кабелю или вообще беспроводным способом через спутник.
Замечу, что никакого квантового запутывания при этом пока не применяется (за исключением некоторых спутниковых экспериментов в Китае).
Можно ли сгенерировать и передать по оптоволокну один квант?
Тут всё сложно. Прям каждый раз чётко передавать один квант не получается. Чтобы пустить один квант, излучение известной интенсивности специальными фильтрами ослабляется ровно во столько раз, чтобы на выходе получить излучение интенсивностью в один квант. Но это в теории.
На практике при таком расчёте на выходе получается либо один квант, либо ни одного, либо два, либо три, и так далее. При этом вероятностное распределение этих событий происходит в соответствии с распределением Пуассона, где вероятнее всего выйдет один фотон (потому что мы ослабляем излучение именно до этого целевого значения), на втором месте по вероятности — два или ни одного, на третьем месте — три, потом четыре и так далее.
Поскольку в такой ситуации возникает вероятность незаметно перехватить часть фотонов, то приходится усложнять протокол выработки ключа, добавляя в него дополнительные средства проверки. В результате этого теоретический протокол BB84 был доработан до BB84 Decoy State, в котором добавляется второй источник излучения и перехват хитрым образом всё равно логически выявляется.
В реальных средах передачи данных одиночные кванты имеют относительно высокую вероятность пропадать, поглощаясь в результате случайных событий (помех), встречаемых ими на своём пути. Говорят, что с этим борются увеличением количества квантов в импульсе, но насколько эффективно с этим увеличением потом справляется протокол BB84 Decoy State, я не знаю.
Вероятно, импульс рассчитывается так, чтобы к приёмнику всё равно приходил один фотон или около того. Тогда протокол, наверное, мог бы работать. Но тогда среда передачи должна быть относительно стабильна. Если у кого есть ссылки на более конкретную информацию по этому нюансу, поделитесь пожалуйста в комментариях.
Есть ли российское оборудование?
Да, конечно. Квантовой физикой занимаются у нас давно, а сегодня, когда настало время практического применения результатов исследований, воплощение их в физическое оборудование, наши компании смогли это сделать тоже.
Так, например, российская компания QRate (ООО «КуРэйт» — дочерняя компания Российского квантового центра) разрабатывает и поставляет комплексные аппаратно-программные решения для этого. К слову, первый защищенный квантовый канал был запущен ими ещё в 2015 году между офисами Газпромбанка.
Российская компания QSpace Technologies LLC (ООО "КуСпэйс Технологии") (отделилась от QRate в 2021 году) — разработчик спутниковых и атмосферных систем квантового распределения ключей, в которых ключ распределяется через открытое пространство, что эффективно дополняет оптоволоконные квантовые сети. Компания находится в самом начале своих практических исследований.
Своё оптическое оборудование (пока не квантовое), разработанное совместно с учеными из НИТУ «МИСИС», компания QSpace запустила совсем недавно, 27 июня 2023 г. с космодрома Восточный на спутнике «Импульс-1». Российские ученые и инженеры провели первые сеансы связи. На платформе спутника был запущен прибор «Вектор», при помощи которого тестируется лазерный канал передачи данных между спутником и наземной станцией. Особое внимание уделяется точности наведения приёмника и передатчика друг на друга.
Надо сказать, что специалисты QSpace проводили лабораторные эксперименты в области квантовых коммуникаций с 2016 г. (ещё в составе QRate). В том же году ученые из Китая запустили первый квантовый спутник, и исследователи смогли провести ряд совместных экспериментов с китайскими коллегами. Одним из достижений стало то, что российские исследователи получили квантовый сигнал на приемную станцию собственной разработки.
При наличии финансирования QSpace планируют отработать систему квантового распределения ключей со спутника в ближайшие два-три года.
А что там в мире?
Над квантовыми сетями работают все ведущие страны мира. Такие сети аж с 2004 года есть у управления перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США DARPA, в Европе действует сеть SEQOQC, квантовые сети есть в Японии, в Китае построена квантовая сеть протяженностью 2000 километров, которая объединяет четыре города: Пекин, Шанхай, Хэфэй, Джинан.
Также Китай отработал спутниковое распределение ключей, причём уже с применением «запутнанных» квантов. Развивает распределение ключей через дроны и т.п. То есть, обычная оптическая линия шифруется ключом, полученным обеими сторонами квантовым способом со спутника.
В общем, тут важно не отстать. А то наслушаемся опять это нытьё про распилы бабла (чесслово, уже нервирует), а потом сами же будем ныть про то, что отстали навсегда, как в микроэлектронике. Нет, так не работает. Надо вкладываться в 100 проектов одновременно, тогда пара-тройка из них всплывёт, а один из них, возможно, будет даже успешным. В мире это работает именно так.
Заключение
Ну, кажется, сейчас всё должно быть более-менее понятно. Оптическая линия превращается в т.н. «квантовую», как только начинает использовать общий ключ шифрования, сгенерированный квантовым способом хоть по тому же, хоть по какому-либо другому каналу. Вот и всё. Поэтому технология на самом деле и называется не «квантовая линия связи», а «квантовое распределение ключей», и не более того.
Про совершенно другую тему — тему квантовых вычислений, вы можете почитать у меня в подборке «Квантовые компьютеры, кубиты, кудиты.. Простым языком». В вычислениях используется именно квантовая запутанность, а значит, и кубиты и всё такое. Несмотря на использования свойств квантов и там и там, квантовые вычисления и квантовые линии передачи данных — это совсем разные вещи и их не нужно путать.
На сегодня всё. Поставьте нравлик, подпишитесь на канал и обязательно отреагируйте в комментариях. Поделитесь там своими соображениями, мнениями. Только не сильно ругайтесь друг на друга ))) Удачи!
