Почему физики передают фотоны через обычное оптоволокно и зачем нам невзламываемая связь
В подвале Делфтского технического университета два квантовых компьютера обмениваются запутанными фотонами через обычный оптоволоконный кабель. Расстояние между ними всего шестьдесят метров, но это уже работающий прототип квантового интернета. К 2035 году Нидерланды планируют связать квантовой сетью четыре города. Китай уже передаёт квантовые ключи шифрования между Пекином и Шанхаем через спутник. Мир стоит на пороге коммуникационной революции, которая сделает перехват данных физически невозможным.
Почему обычное шифрование больше не работает
Современная криптография держится на математической сложности. Чтобы взломать 256-битный ключ, классическому компьютеру потребуются миллиарды лет. Но квантовый компьютер справится за несколько часов благодаря алгоритму Шора. IBM, Google и китайская Alibaba уже создали прототипы таких машин. Вопрос времени, когда они станут достаточно мощными для взлома существующего шифрования.
Банки, военные и правительства понимают угрозу. Вся мировая система безопасности может рухнуть за один день. Нужна принципиально новая защита, основанная не на математике, а на законах физики. Квантовая криптография предлагает именно такое решение.
Как работает квантовая передача данных
Представьте монету, которая вращается в воздухе. Пока вы не поймаете её, она одновременно и орёл, и решка. Квантовая частица ведёт себя похожим образом. Фотон находится в суперпозиции состояний, пока кто-то не измерит его параметры.
При квантовой передаче данных отправитель кодирует информацию в состоянии фотонов. Получатель измеряет эти состояния специальным детектором. Если злоумышленник попытается перехватить фотон по пути, он неизбежно изменит его квантовое состояние. Отправитель и получатель сразу заметят вмешательство.
Физики называют это принципом неопределённости Гейзенберга. Невозможно измерить квантовую систему, не изменив её. Природа сама защищает информацию от перехвата.
Китайский спутник и европейские оптоволокна
В 2016 году Китай запустил спутник "Мо-цзы" специально для квантовой связи. Он передаёт запутанные фотоны наземным станциям на расстояние до 1200 километров. В 2017 году состоялся первый квантово-защищённый видеозвонок между Пекином и Веной.
Европейцы выбрали другой путь. Они прокладывают квантовые линии через существующие оптоволоконные кабели. Проблема в том, что фотон может пройти по волокну максимум сто километров, потом сигнал затухает. Нужны квантовые повторители, которые усилят сигнал, не нарушив квантовое состояние. Это сложнейшая инженерная задача.
Голландцы нашли оригинальное решение. Они создают гибридную сеть, где квантовые узлы связаны обычными и квантовыми каналами одновременно. Классический канал передаёт большие объёмы данных, квантовый - только ключи шифрования.
Квантовая запутанность как основа будущего интернета
Эйнштейн называл квантовую запутанность "жутким дальнодействием" и не верил в неё. Но эксперименты доказали: две частицы могут быть связаны так, что изменение одной мгновенно влияет на другую, независимо от расстояния между ними.
Учёные из QuTech (совместная лаборатория Делфтского университета и TNO) научились создавать запутанность между квантовыми процессорами по требованию. Они охлаждают алмазные чипы до температуры близкой к абсолютному нулю, помещают в них единичные электроны и запутывают их спины с фотонами.
Эта технология позволит создать квантовый интернет, где информация телепортируется между узлами. Не физически перемещается, а мгновенно воссоздаётся в другой точке. Звучит как фантастика, но первые успешные эксперименты уже проведены.
Реальные применения уже сегодня
Швейцарская компания ID Quantique продаёт квантовые шифраторы с 2007 года. Их используют банки для защиты транзакций и правительства для секретной связи. Система стоит около ста тысяч долларов, но для критически важной инфраструктуры это приемлемая цена за абсолютную безопасность.
Квантовые генераторы случайных чисел уже встроены в смартфоны Samsung Galaxy A71. Они используют квантовый шум светодиода для создания истинно случайных чисел, которые невозможно предсказать. Это повышает безопасность мобильных платежей и паролей.
Проблемы, которые предстоит решить
Квантовые состояния крайне хрупкие. Малейшая вибрация, изменение температуры или электромагнитное поле разрушают запутанность. Лаборатории тратят миллионы на изоляцию квантовых систем от внешнего мира.
Квантовые детекторы улавливают только один фотон из десяти тысяч. Остальные теряются в оптоволокне или поглощаются атмосферой. Нужны новые материалы и технологии для повышения эффективности.
Стоимость квантового оборудования пока запредельная. Один квантовый узел стоит несколько миллионов евро. Для массового внедрения нужно снизить цену в тысячу раз.
Будущее ближе, чем кажется
Южная Корея инвестирует 40 миллионов долларов в создание квантовой сети к 2025 году. США выделили 1,2 миллиарда на Национальную квантовую инициативу. Россия разрабатывает квантовую линию между Москвой и Санкт-Петербургом.
Первые коммерческие квантовые сети появятся в течение пяти лет. Они свяжут банки, датацентры и правительственные учреждения. К 2040 году квантовый интернет может стать доступным для обычных пользователей.
Мы стоим на пороге новой эры коммуникаций. Квантовый интернет изменит не только безопасность данных, но и само понимание информации. Возможность мгновенной передачи состояний откроет двери для технологий, которые сегодня кажутся невозможными. Распределённые квантовые вычисления, сверхточная синхронизация времени, принципиально новые протоколы связи. Физики шутят, что квантовый интернет - это технология, опередившая своё время. Осталось только дождаться, когда время её догонит.