Что такое квантовый интернет и почему он изменит мир?

Сегодня мы живем, прикованные к интернету, но редко задумываемся о том, что будет после того, как интернет перестанет быть нашим повседневным помощником. Пока мы отправляем сообщения, совершаем видеозвонки или переводим деньги с мобильных телефонов, в лабораториях и в ходе реальных испытаний разрабатывается новый тип сети: квантовый интернет, инфраструктура, предназначенная для соединения квантовых устройств и защиты информации с помощью законов физики, а не только математики.

Эта новая парадигма не призвана заменить традиционный Интернет, каким мы его знаем завтра, но она обещает полностью изменить то, как... Мы защищаем критически важные данные, распределяем вычислительные ресурсы и измеряем мир с невероятной точностью.От защищенных банковских сетей до распределенных датчиков для астрономии и сверхзащищенных больниц — спектр возможностей так же широк, как и сложность, лежащая в основе всего этого.

Что же такое квантовый интернет?

Когда мы говорим о квантовом интернете, мы имеем в виду сеть, в которой обмениваемые элементы представляют собой не простые классические биты, а запутанные кубиты, перемещающиеся по квантовым каналамВместо простого представления 0 или 1, эти кубиты используют такие явления, как суперпозиция и запутанность, для кодирования и обмена информацией способом, не имеющим аналогов в современных технологиях.

На практике квантовый интернет будет представлять собой параллельную сеть, сосуществующую с традиционной инфраструктурой. Обычный пользователь по-прежнему будет проверять свою электронную почту, социальные сети и мессенджеры через традиционный интернет. Классический интернет, основанный на традиционных протоколах и шифровании.Между тем, квантовые сети, по крайней мере на начальном этапе, останутся прерогативой правительств, банков, крупных технологических компаний, учреждений здравоохранения или оборонного сектора, где абсолютная безопасность и передовые вычислительные технологии имеют решающее значение.

Ключевой момент заключается в том, что квантовый канал не передает данные в том виде, в каком мы их понимаем сегодня (электронное письмо, фотография или текстовое сообщение). WhatsApp), но чрезвычайно тонкие квантовые состояния, кодирующие информацию в фотонах или других частицах, таких как квантовые чипы, обменивающиеся даннымиЭти состояния невозможно скопировать, не оставив следов, что открывает двери для коммуникаций, в которых любая попытка шпионажа может быть немедленно обнаружена.

Всё это звучит как фантастика, но на практике уже демонстрируется. Лаборатории в США, Китае, Нидерландах и Европе соединяют квантовые узлы с помощью настоящих оптических волокон в городах, тестируют протоколы запутанности и безопасного распределения ключей, которые закладывают основу для... глобальная квантовая сеть, которую можно развернуть по существующим оптоволоконным линиям связи..

От классических до квантовых вычислений: почему нам нужен ещё один интернет.

Чтобы понять, зачем нам нужен квантовый интернет, мы должны сначала разобраться, как работает интернет. Классические вычисления, основанные на битах и ​​булевой алгебре.Современные компьютеры обрабатывают информацию, представляя её в виде 0 или 1, и каждый транзистор может находиться только в одном из этих состояний в любой момент времени. Мы можем сделать их меньше и быстрее, но мы приближаемся к физическим пределам, где классическая физика больше не может точно описывать происходящее.

В отличие от этого, квантовый компьютер использует элементарные частицы, такие как электроны или фотоны, для представления кубитов. Благодаря суперпозиции кубит может одновременно находиться в комбинации 0 и 1, и при этом... Запутанность между несколькими кубитами экспоненциально увеличивает число возможных конфигураций.Таким образом, регистр всего из 2 кубитов может одновременно кодировать четыре классические комбинации (00, 01, 10, 11), а с добавлением кубитов его емкость значительно возрастает.

Отсюда и концепция квантового интернета: сети, предназначенной для распределения запутанности и квантовых состояний между множеством узлов, что позволяет распределенные квантовые вычисления, неклонируемые коммуникации и сверхточная синхронизацияРечь идёт не просто об ускорении соединений, а о создании возможностей, которых сегодня буквально не существует.

Ключевые явления: перекрытие, запутанность и неклонирование.

В основе всей этой системы лежит квантовая суперпозиция. Кубит, который можно представить как спин электрона или поляризацию фотона, не обязан выбирать между 0 и 1 до тех пор, пока мы его не измерим. Он может оставаться в определенном состоянии. сочетание обоих значений без взаимодействия с окружающей средой.Это позволяет выполнять параллельные операции над множеством вариантов одновременно.

Второй столп — это запутанность. При взаимодействии двух частиц они могут связываться таким образом, что состояние одной коррелирует с состоянием другой, даже если они разделены большим расстоянием. Если мы измерим состояние одной, результат немедленно определит состояние другой — явление, которое позволяет протоколы, такие как квантовая телепортация и распределение ключей в широких сетях.

Ключевым ресурсом, унаследованным квантовым интернетом от квантовой теории, является теорема о невозможности клонирования: невозможно создать идеальную копию неизвестного квантового состояния. Это, на первый взгляд, может показаться проблемой для проектирования сети, но на самом деле является благом для безопасности, поскольку означает, что любая попытка перехвата или копирования будет пресечена. вызовет обнаруживаемое нарушение исходного состояния.

Самым большим врагом из всего вышеперечисленного является декогеренция, то есть потеря квантовых свойств при взаимодействии системы с окружающей средой. Квантовые сети должны минимизировать это явление посредством Протоколы стабильной квантовой памяти, коррекции ошибок и очистки запутанности.В противном случае кубиты превратятся в шум, не достигнув места назначения.

Архитектура квантовых сетей и типы развертывания

Квантовая сеть организована не совсем так, как классический интернет, хотя некоторые концепции у них общие: есть конечные узлы, каналы связи и промежуточные элементы, напоминающие маршрутизаторы. В квантовом мире этими промежуточными элементами являются... Квантовые ретрансляторы, отвечающие за распространение запутанности на большие расстояния..

В литературе выделяют три основных поколения репитеров. Первое, наиболее близкое к современным реализациям, основано на создании и очищении запутанности заранее определенным способом; второе вводит квантовая коррекция ошибок для обработки операционных сбоевТретий подход основан почти полностью на кодах коррекции ошибок, что позволяет создавать гораздо более длинные и надежные сети, хотя до его коммерческого внедрения еще далеко.

В зависимости от масштаба и целей обычно выделяют три типа квантовых сетей: модульные сети, соединяющие квантовые процессоры в пределах одной машины или центра обработки данных, и наземные сети, основанные на... Волоконно-оптический кабель уже проложен в городах и на междугородних участках.а также квантовые спутниковые сети, предназначенные для покрытия континентальных и глобальных расстояний.

В этих архитектурах, помимо ретрансляторов, ключевую роль играют квантовые запоминающие устройства, в которых кубиты временно хранятся во время координации сетевых операций. В настоящее время исследуется несколько физических платформ: цветовые центры в алмазах, кристаллах, легированных рубидием, атомах азота или твердотельных системах, интегрированных в фотонные чипы..

Дополнительная сложность заключается в интеграции этого квантового уровня с обычным интернетом. Узлам необходимо использовать классические каналы для координации операций, обмена управляющими сигналами и, например, отправить классическую информацию, необходимую для завершения квантовой телепортацииВ результате возникнет гибридная экосистема, в которой будут сосуществовать комплексы классических и квантовых протоколов.

Протоколы, сетевые стеки и сложность маршрутизации.

Разработка «стека протоколов» для квантового интернета — это не просто копирование уже существующего TCP/IP и добавление к нему квантовой метки. Такие исследователи, как Метер, Вехнер и Дюр, предложили различные многоуровневые архитектуры, ориентированные на такие функции, как... генерация и управление запутанностью, коррекция ошибок и связь высокоуровневых квантовых приложений.

Некоторые стеки построены на основе двусторонней запутанности (два узла) с физическим уровнем, уровнем управления каналом связи и уровнем распространения состояния; другие используют подход, более схожий с классическими сетями, с физическим уровнем, уровнем канала связи, сетевым уровнем, транспортным уровнем и уровнем приложений; а также существуют предложения, ориентированные в первую очередь на Многочастичная запутанность, идеально подходит для сетей с большим количеством взаимодействующих узлов..

Казалось бы, простые функции, такие как маршрутизация или programación Распределение ресурсов становится настоящей головоломкой. Распределение сквозной запутанности по путям с конечной квантовой памятью, вероятностными операциями и декогеренцией приводит к задачам оптимизации, которые NP-трудная задача, даже для моделирования.Проводятся исследования как реактивных стратегий, которые создают взаимосвязь по запросу, так и проактивных схем, которые распределяют ее заранее в соответствии с ожидаемыми моделями использования.

Для оценки производительности этих еще находящихся на стадии зарождения сетей используются специальные симуляционные платформы, такие как NetSquid, SeQUeNCe или QuantumMininet, способные моделировать квантовые процессы, время ожидания в памяти и операционные ошибкиРеальные полигоны для испытаний остаются скромными по размерам, а эксперименты в основном сосредоточены на квантовом распределении ключей и связях запутанности на расстояниях в десятки или, в некоторых случаях, сотни километров.

Квантовая криптография и коммуникации, за которыми невозможно следить

Если и есть область, где квантовый интернет действительно проявляет себя наилучшим образом, то это безопасность. Квантовая криптография использует свойства фотонов и принцип неопределенности Гейзенберга для создания систем шифрования, которые, теоретически, неприступен при правильной реализацииОсновная идея проста: невозможно измерить квантовое состояние фотона, не изменив его.

В типичной схеме квантового распределения ключей (QKD) секретный ключ кодируется поляризацией отдельных фотонов. Каждая ориентация может представлять собой двоичный 0 или 1, а последовательности этих фотонов используются для построения битовых строк, которые будут действовать как ключ для классического симметричного шифра. Любая попытка перехватить фотоны будет безуспешной. вносит обнаруживаемые ошибки в общую последовательностьчто оповещает законные стороны.

Этот подход контрастирует с современным классическим шифрованием, которое основано на сложных математических задачах, таких как разложение больших чисел на множители. При наличии достаточно мощных квантовых компьютеров и подходящих алгоритмов эти средства защиты могут быть взломаны, как и предсказывают многочисленные исследования. квантовый риск, предупреждающий о том, что многие современные системы могут выйти из строя менее чем за десятилетие..

Фактически, уже существует активная угроза, известная как «хранить сейчас, расшифровывать позже» (SNDL). Она заключается в перехвате и хранении зашифрованных сообщений сегодня с целью их расшифровки в будущем с помощью более мощных квантовых компьютеров. Всё, что останется конфиденциальной информацией через 10 или 15 лет…медицинские записи, коммерческая тайна, невозобновляемые пароли, юридическая документация— потенциально находится под прицелом.

Квантовые сети позволяют дополнить квантовое распределение ключей (QKD) постквантовая криптография (классические алгоритмы, разработанные для противодействия квантовым атакам), что приводит к созданию «квантово-безопасных» инфраструктур, защищающих как обмен данными в реальном времени, так и хранимые данные. Такие операторы, как Компания Telefónica уже развертывает гибридные сети, сочетающие квантовое распределение ключей (QKD), постквантовую технологию TLS и существующие оптоволоконные сети. для обеспечения безопасности больниц, банков или критически важных систем.

Квантово-безопасная среда: как кибербезопасность готовится к квантовой эре

В промышленном и телекоммуникационном секторах уже говорят о «квантово-безопасных» сетях: инфраструктурах, готовых выдержать мир, в котором существуют квантовые компьютеры, способные взламывать используемые сегодня системы шифрования. Эти решения сочетают в себе квантовое распределение ключей (QKD) и стандартизированные постквантовые алгоритмы. а также расширенные возможности управления ключами, и они тестировались в реальных условиях в течение многих лет.

В период с 2010 по 2014 год проходил начальный этап исследований, включавший испытания в таких лабораториях, как Технологическая лаборатория Telefónica в Мадриде. С 2015 года появились первые гибридные пилотные сети, и крупные операторы начали участвовать в европейских проектах, таких как OPENQKD или Quantum Flagship — проект для тестирования развертывания в городских и региональных масштабах.В период с 2021 по 2023 год реальные примеры применения уже наблюдались в таких секторах, как банковское дело, энергетика и здравоохранение.

На данном этапе (2024-2025 гг.) наблюдается тенденция к интеграции квантово-устойчивой защиты непосредственно в проложенное оптоволокно, соединяющее больницы, центры обработки данных и корпоративные штаб-квартиры с этими сетями. Сквозное шифрование, устойчивое к квантовым атакам.В период 2026-2030 годов ожидается постепенное наращивание масштабов внедрения стандартов Q-Safe в сфере связи, облачных сервисов и т.д. кибербезопасность.

Практические применения варьируются от защиты банковских переводов, важных видеозвонков между офисами и аутентификации между финансовыми учреждениями до шифрования конфиденциальных медицинских данных и обеспечения безопасности интеллектуальных энергосетей. Работа в этой области уже ведется. Квантово-безопасные подписи и сертификаты, интегрированные в eSIM-карты и устройства. IoTусиление защиты датчиков, интеллектуальных счетчиков и систем промышленного управления.

Даже в тактических и военных условиях сети, устойчивые к квантовым атакам, рассматриваются как ключевой компонент для управления подразделениями, обмена секретной информацией между ведомствами и работы в частных сетях 5G. Низкая задержка и надежное шифрование для защиты от будущих угроз.Таким образом, квантовый интернет станет центральным элементом головоломки цифровой обороны и суверенитета.

Экспериментальные достижения: от теории к асфальту городов

До недавнего времени большинство предложений по созданию квантового интернета представляли собой либо теоретические схемы, либо очень сложные лабораторные установки. Ситуация меняется. В апреле 2025 года в журнале Optica Quantum была опубликована статья, подготовленная группами из Рочестерского технологического института, Рочестерского университета и других учреждений, в которой были представлены результаты исследований. гибридная платформа на основе нелинейных кристаллов и интегрированных фотонных схем Способен генерировать и управлять парами запутанных фотонов в реалистичных условиях.

В системе используется кристалл PPKTP (периодически поляризованный титанилфосфат калия), который при накачке соответствующим светом генерирует пары запутанных фотонов с разными длинами волн: один в видимом диапазоне (656 нм), а другой в телекоммуникационном диапазоне (1536 нм), совместимых со стандартным оптическим волокном. Обнаружение видимого фотона подтверждает наличие его аналога в телекоммуникационном диапазоне, что позволяет реализовать определенные схемы. «Предвещаемые» фотоны, которые значительно улучшают надежность коммуникации.

Настоящее новшество заключается в том, что манипулирование и детектирование этих фотонов происходит внутри интегрированного, компактного и стабильного фотонного чипа, без необходимости использования оптики свободного пространства или огромных и дорогостоящих сверхпроводящих детекторов. Сам кремний чипа выступает в качестве... шумовой фильтр, подавляющий свет от накачки и улучшающий соотношение сигнал/шум.что значительно упрощает систему.

Полученные результаты, а не только смоделированные, значительны: скорость генерации пар фотонов достигает 67 миллионов в секунду, а эффективность приближается к ожидаемым теоретическим пределам. Тем не менее, система страдает от потерь связи на границе кристалл-чип и некоторой нежелательной флуоресценции, проблемы, которые авторы планируют решить с помощью оптимизированные конструкции волноводов и материалы с более низким уровнем шума.

Особенно перспективным аспектом является замена криогенных детекторов на лавинные диоды SPAD, работающие при комнатной температуре. Это означает, что такие узлы могут быть развернуты в различных условиях. обычные условия за пределами лаборатории, такие как телекоммуникационные центры или центры обработки данных.приближаем квантовый интернет к практическому применению.

В одном из самых впечатляющих испытаний устройство было подключено к сети RoQNET (Rochester Quantum Network), 38-километровому кольцевому соединению между RIT и Рочестерским университетом. Несмотря на потери, превышающие 23 дБ, оно смогло обнаружить совпадения запутанных фотонов, продемонстрировав работоспособность технологии. Совместим с существующей волоконно-оптической инфраструктурой и масштабируем для использования на городских расстояниях..

Квантовые сети в городах: воспоминания об алмазе, рубидии и азоте

Наряду с этими достижениями в области интегрированной фотоники, другим группам удалось передавать и сохранять кубиты по волоконно-оптическим сетям, уже развернутым в таких городах, как Бостон, а также в городах Китая и Нидерландов. Цель состоит в том, чтобы проверить, как ведут себя кубиты. переплетение в городской среде с вибрациями, изменениями температуры и реальным шумом..

В Соединенных Штатах исследователи из Гарварда использовали атомы кремния, внедренные в кристаллы алмаза, в качестве квантовой памяти. Используя городскую волоконно-оптическую сеть, они позволили квантовой информации замкнуть петлю длиной приблизительно 35 километров, продемонстрировав, что эти дефекты в алмазе могут... хранить кубиты El Tiempo достаточно для работы сети.

В Китае группа исследователей из Университета науки и технологий выбрала кристаллы, легированные рубидием — щелочным металлом, широко используемым в квантовых экспериментах. Благодаря относительно длительному сроку службы этих запоминающих устройств и хорошо спроектированному главному серверу, им удалось передавать кубиты на расстояние около 12,5 километров в пределах города, поддерживая при этом работоспособность системы. квантовые корреляции, пригодные для распределения ключей или телепортации.

В Нидерландах исследователи использовали атомы азота в алмазе в качестве запоминающих устройств и соединили два квантовых компьютера, расположенных на расстоянии 10 километров друг от друга, с помощью оптоволоконной сети длиной 25 километров с центральным сервером. Каждый из этих подходов учитывает преимущества и недостатки различных физических платформ, но все они указывают на осуществимость. городские квантовые сети, поддерживаемые существующей волоконно-оптической инфраструктурой.

Хотя эти системы все еще находятся на экспериментальной стадии, и до их широкого коммерческого использования еще годы, сообщество сходится во мнении, что это гигантский шаг вперед. Некоторые руководители проектов предполагают, что к концу этого десятилетия можно будет создать чередующиеся линии связи протяженностью около 1.000 километров, используя примерно десять хорошо спроектированных промежуточных узлов, что поднимет идею... континентальная квантовая сеть, дополняющая квантовые спутники.

Области применения: экстремальная безопасность, распределенные вычисления и квантовые датчики.

Потенциал квантового интернета выходит далеко за рамки распределения ключей. Одна из основных категорий применения — повышение безопасности: квантовое распределение ключей для безусловно защищенного шифрования. Слепые квантовые вычисления, в которых вы делегируете вычисления, не раскрывая свои данные.а также квантовые цифровые подписи, позволяющие осуществлять аутентификацию без возможности подделки и без риска обнаружения.

Ещё одной перспективной областью являются вычислительные системы повышенной мощности, где несколько квантовых компьютеров объединяются для решения задач, которые превышают возможности одного устройства. Это включает в себя схемы распределённых квантовых вычислений и федеративное квантовое машинное обучение, которое позволит обучать модели совместно, сохраняя при этом конфиденциальность. на основе локальных данных.

Существует также ряд специализированных применений в метрологии и фундаментальной науке. Квантовые сенсорные сети могут координировать работу сверхточных датчиков для астрономии, геофизики или исследования материалов, а синхронизация распределенных квантовых часов позволяет повысить точность навигационных систем, финансовых рынков и электросетей.В данном случае квантовые корреляции позволяют повысить чувствительность к любому классическому пределу.

В деловой сфере такие секторы, как банковское дело и здравоохранение, уже изучают конкретные варианты применения. Финансовые учреждения тестируют квантовое распределение ключей и постквантовые алгоритмы для Обеспечьте защиту при передаче данных, обмене информацией между сайтами и аутентификации между учреждениями.В больницах операционные и системы дистанционного мониторинга состояния пациентов соединяются с помощью шифрования, устойчивого к квантовым атакам, что минимизирует риск утечки конфиденциальных данных.

Наконец, умные города и критически важная инфраструктура — энергетика, транспорт, водоснабжение — могли бы полагаться на сети, устойчивые к квантовым атакам, для защиты огромного объема данных, генерируемых их датчиками и системами управления. Это станет возможным благодаря сертификатам и подписям, устойчивым к квантовым атакам, на устройствах и в частных сетях 5G. для предотвращения дистанционного манипулирования, перехвата или крупномасштабного саботажа в условиях, когда цифровая зависимость продолжает расти.

Вся эта экосистема технологий и вариантов использования показывает, что квантовый интернет — это не просто академическая диковинка, а элемент, который постепенно собирается поверх инфраструктуры, которую мы уже используем каждый день, с целью предложить Связь, вычисления и измерения, основанные на глубочайших законах физики. вместо того, чтобы полагаться исключительно на математическую сложность нескольких задач.

Теме статьи:

Все о квантовой коммуникации: как она работает и почему за ней будущее

Исаак

Страстный писатель о мире байтов и технологий в целом. Мне нравится делиться своими знаниями в письменной форме, и именно этим я и займусь в этом блоге: покажу вам все самое интересное о гаджетах, программном обеспечении, оборудовании, технологических тенденциях и многом другом. Моя цель — помочь вам ориентироваться в цифровом мире простым и интересным способом.