Kaj je kvantni internet in zakaj bo spremenil splet?

Danes živimo prilepljeni na internet, a se le redko ustavimo in pomislimo, kaj sledi internetu, ki ga uporabljamo vsak dan. Medtem ko pošiljamo sporočila, opravljamo video klice ali prenašamo denar z mobilnih telefonov, se v laboratorijih in v resničnem svetu razvija nova vrsta omrežja: ... kvantni internet, infrastrukturo, zasnovano za povezovanje kvantnih naprav in zaščito informacij z zakoni fizike, ne le matematike.

Ta nova paradigma ni namenjena nadomestitvi konvencionalnega interneta, ki ga poznamo jutri, vendar obljublja, da bo popolnoma spremenila način Ščitimo kritične podatke, distribuiramo računalništvo in merimo svet z izjemno natančnostjo.Od nevidnih bančnih omrežij do porazdeljenih senzorjev za astronomijo in ultra varnih bolnišnic je paleta možnosti tako obsežna kot kompleksnost, ki se skriva za vsem tem.

Kaj točno je kvantni internet?

Ko govorimo o kvantnem internetu, mislimo na omrežje, v katerem izmenjani elementi niso preprosti klasični biti, temveč prepleteni kubiti, ki potujejo skozi kvantne kanaleNamesto preprostega predstavljanja 0 ali 1 se ti kubiti zanašajo na pojave, kot sta superpozicija in prepletenost, da kodirajo in delijo informacije na način, ki v trenutni tehnologiji nima enakovrednega primerka.

V praksi bo kvantni internet vzporedno omrežje, ki bo sobivalo s tradicionalno infrastrukturo. Povprečen uporabnik bo še naprej preverjal svojo e-pošto, družbena omrežja in sporočila prek tradicionalnega interneta. Klasični internet, ki temelji na konvencionalnih protokolih in šifriranjuMedtem bodo kvantna omrežja, vsaj sprva, ostala rezervirana za vlade, banke, velika tehnološka podjetja, zdravstvo ali obrambo, kjer absolutna varnost in napredno računalništvo naredita vso razliko.

Ključno je, da kvantni kanal ne prenaša podatkov, kot jih razumemo danes (e-pošta, fotografija ali besedilno sporočilo). WhatsApp), vendar izjemno občutljiva kvantna stanja, ki kodirajo informacije v fotonih ali drugih delcih, kot so kvantni čipi, ki izmenjujejo podatkeTeh stanj ni mogoče kopirati brez sledi, kar odpira vrata komunikacijam, v katerih je vsak poskus vohunjenja takoj zaznaven.

Vse to se sliši futuristično, vendar se že kaže v praksi. Laboratoriji v Združenih državah Amerike, na Kitajskem, Nizozemskem in v Evropi povezujejo kvantna vozlišča z uporabo pravih optičnih vlaken v mestih, preizkušajo protokole prepletanja in varno distribucijo ključev, ki postavljajo temelje za globalno kvantno omrežje, ki bi ga lahko namestili prek obstoječih optičnih vlaken.

Od klasičnega do kvantnega računalništva: zakaj potrebujemo še en internet

Da bi razumeli, zakaj potrebujemo kvantni internet, moramo najprej pogledati, kako internet deluje. klasično računalništvo, ki temelji na bitih in Boolovi algebriSodobni računalniki obdelujejo informacije tako, da jih predstavijo kot 0 ali 1, vsak tranzistor pa je lahko v danem trenutku le v enem od teh stanj. Lahko jih naredimo manjše in hitrejše, vendar se približujemo fizikalnim mejam, kjer klasična fizika ne opisuje več natančno, kaj se dogaja.

V nasprotju s tem kvantni računalnik za predstavitev kubitov uporablja elementarne delce, kot so elektroni ali fotoni. Zaradi superpozicije je lahko kubit hkrati v kombinaciji 0 in 1, in z Prepletenost med več kubiti eksponentno poveča možne konfiguracijeTako lahko register s samo dvema kubitoma hkrati kodira štiri klasične kombinacije (00, 01, 10, 11), z dodajanjem kubitov pa se zmogljivost dramatično poveča.

Od tod izvira koncept kvantnega interneta: omrežje, zasnovano za distribucijo prepletenosti in kvantnih stanj med več vozlišči, kar omogoča porazdeljeno kvantno računalništvo, neklonljive komunikacije in ultra natančna sinhronizacijaNe gre le za pospešitev povezav, temveč za omogočanje zmogljivosti, ki danes dobesedno ne obstajajo.

Ključni pojavi: prekrivanje, prepletenost in nekloniranje

Osnova celotne postavitve je kvantna superpozicija. Kubit, ki ga lahko predstavimo kot spin elektrona ali polarizacijo fotona, ni prisiljen izbirati med 0 ali 1, dokler ga ne izmerimo. Lahko ostane v kombinacija obeh vrednosti brez interakcije z okoljemTo omogoča vzporedne operacije na več možnostih hkrati.

Drugi steber je prepletenost. Ko dva delca interagirata, se lahko povežeta tako, da je stanje enega v korelaciji s stanjem drugega, tudi če sta med seboj zelo oddaljena. Če izmerimo enega, rezultat takoj določi stanje drugega, kar omogoča protokoli, kot sta kvantna teleportacija in distribucija ključev v širokih omrežjih.

Ključni vir, ki ga kvantni internet podeduje od kvantne teorije, je izrek o prepovedi kloniranja: nemogoče je narediti popolno kopijo neznanega kvantnega stanja. To, kar se morda zdi problem za načrtovanje omrežij, je pravzaprav blagoslov za varnost, saj pomeni, da je vsak poskus prestrezanja ali kopiranja onemogočen. bo povzročil zaznavno motnjo prvotnega stanja.

Največji sovražnik vsega naštetega je dekoherencija, torej izguba kvantnih lastnosti, ko sistem interagira z okoljem. Kvantna omrežja morajo to čim bolj zmanjšati z stabilni kvantni spomini, protokoli za popravljanje napak in čiščenje prepletenostiV nasprotnem primeru bodo kubiti postali šum, preden dosežejo svoj cilj.

Arhitektura kvantnih omrežij in vrste uvajanja

Kvantno omrežje ni organizirano povsem tako kot klasični internet, čeprav imata nekatere skupne koncepte: obstajajo končna vozlišča, povezave in vmesni elementi, ki spominjajo na usmerjevalnike. V kvantnem svetu so ti vmesni elementi kvantni repetitorji, odgovorni za razširitev dosega prepletenosti na velike razdalje.

V literaturi ločimo tri glavne generacije repetitorjev. Prva, ki je najbližja trenutnim izvedbam, se opira na ustvarjanje in čiščenje prepletenosti na vnaprej določen način; druga uvaja kvantna korekcija napak za obravnavo operativnih napakTretja skoraj v celoti temelji na kodah za popravljanje napak, kar omogoča veliko daljša in robustnejša omrežja, čeprav je še daleč od komercialno dostopne.

Glede na njihov obseg in cilj se običajno upoštevajo tri vrste kvantnih omrežij: modularna omrežja, ki povezujejo kvantne procesorje znotraj istega stroja ali podatkovnega centra, zemeljska omrežja, ki temeljijo na Optični kabel je že nameščen v mestih in medmestnih odsekihin kvantna satelitska omrežja, zasnovana za pokrivanje celinskih in globalnih razdalj.

V teh arhitekturah imajo poleg repetitorjev ključno vlogo tudi kvantni pomnilniki, kjer se kubiti začasno shranjujejo, medtem ko se usklajujejo omrežne operacije. Trenutno se raziskuje več fizičnih platform: barvni centri v diamantih, kristali, dopirani z rubidijem, atomi dušika ali trdni sistemi, integrirani v fotonske čipe.

Dodaten izziv je integracija te kvantne plasti z običajnim internetom. Vozlišča morajo uporabljati klasične kanale za koordinacijo operacij, izmenjavo kontrolnih signalov in na primer poslati klasične informacije, potrebne za dokončanje kvantne teleportacijeRezultat bo hibridni ekosistem, kjer sobivajo skladi klasičnih in kvantnih protokolov.

Protokoli, omrežni skladi in kompleksnost usmerjanja

Oblikovanje »sklada protokolov« za kvantni internet ne pomeni le kopiranja tega, kar že imamo v TCP/IP, in dodajanja kvantne oznake. Raziskovalci, kot so Meter, Wehner in Dür, so predlagali različne večplastne arhitekture, ki se osredotočajo na funkcije, kot so generiranje in upravljanje prepletenosti, popravljanje napak in povezovanje visokonivojskih kvantnih aplikacij.

Nekateri skladi so organizirani okoli dvodelne prepletenosti (dve vozlišči) s fizičnimi, povezovalnimi in širjenimi ravnmi; drugi uporabljajo pristop, ki je bolj podoben klasičnim omrežjem, s fizičnimi, povezovalnimi, omrežnimi, transportnimi in aplikacijskimi ravnmi; obstajajo pa tudi predlogi, ki so primarno usmerjeni na Večdelna prepletenost, idealna za omrežja s številnimi sodelujočimi vozlišči.

Na videz preproste funkcije, kot sta usmerjanje ali programiranje Dodeljevanje virov postane prava uganka. Porazdelitev prepletenosti od konca do konca po poteh s končnimi kvantnimi spomini, verjetnostnimi operacijami in dekoherenco vodi do optimizacijskih problemov, ki so ... NP-težko, tudi za simulacijeRaziskave potekajo tako na področju reaktivnih strategij, ki ustvarjajo prepletenost na zahtevo, kot tudi proaktivnih shem, ki jo vnaprej porazdelijo glede na pričakovane vzorce uporabe.

Za oceno delovanja teh še vedno v povojih se uporabljajo specifični simulacijski ogrodji, kot so NetSquid, SeQUeNCe ali QuantumMininet, ki so sposobni modeliranja kvantni procesi, čakalni časi pomnilnika in operativne napakeTestna okolja v resničnem svetu ostajajo skromna, poskusi pa se osredotočajo predvsem na porazdelitev kvantnih ključev in prepletene povezave na razdaljah več deset ali v nekaterih primerih več sto kilometrov.

Kvantna kriptografija in komunikacije, ki jih je nemogoče vohuniti

Če obstaja področje, kjer kvantni internet resnično sije, je to varnost. Kvantna kriptografija izkorišča lastnosti fotonov in Heisenbergovo načelo negotovosti za ustvarjanje šifrirnih sistemov, ki so teoretično ... nepremagljivo, če je pravilno izvedenoOsrednja ideja je preprosta: kvantnega stanja fotona ni mogoče izmeriti, ne da bi ga spremenili.

V tipični shemi kvantne porazdelitve ključev (QKD) je tajni ključ kodiran v polarizaciji posameznih fotonov. Vsaka orientacija lahko predstavlja binarno 0 ali 1, zaporedja teh fotonov pa se uporabljajo za konstruiranje bitnih nizov, ki bodo delovali kot ključ za klasično simetrično šifro. Vsak poskus prestrezanja fotonov uvaja zaznavne napake v skupnem zaporedju, ki opozori legitimne stranke.

Ta pristop je v nasprotju s trenutnim klasičnim šifriranjem, ki se opira na zahtevne matematične probleme, kot je faktorizacija velikih števil. Z dovolj zmogljivimi kvantnimi računalniki in ustreznimi algoritmi je mogoče te obrambne mehanizme prebiti, kot predvidevajo številne študije. kvantno tveganje, ki opozarja, da bi se lahko mnogi današnji sistemi porušili v manj kot desetletju.

Pravzaprav že obstaja aktivna grožnja, znana kot »shrani zdaj, dešifriraj pozneje« (SNDL). Gre za zajemanje in shranjevanje šifriranih komunikacij danes, da bi jih v prihodnosti poskušali dešifrirati z zmogljivejšimi kvantnimi računalniki. Vse, kar bo čez 10 ali 15 let še vedno občutljivo –zdravstveni kartoni, poslovne skrivnosti, neobnovljiva gesla, pravna dokumentacija— je potencialno na meti.

Kvantna omrežja omogočajo dopolnitev QKD z postkvantna kriptografija (klasični algoritmi, zasnovani za odpornost proti kvantnim napadom), kar vodi do »kvantno varnih« infrastruktur, ki ščitijo tako komunikacije v realnem času kot shranjene podatke. Operaterji, kot so Telefónica že uvaja hibridna omrežja, ki združujejo QKD, postkvantni TLS in obstoječa optična vlakna. za zavarovanje bolnišnic, bank ali kritičnih sistemov.

Kvantna varnost: kako se kibernetska varnost pripravlja na kvantno dobo

V industrijskem in telekomunikacijskem sektorju se že govori o "kvantno varnih" omrežjih: infrastrukturah, pripravljenih prenesti svet, v katerem obstajajo kvantni računalniki, ki so sposobni razbiti šifriranja, ki se uporabljajo danes. Te rešitve združujejo QKD, standardizirane postkvantne algoritme in napredno upravljanje ključev, ki so bili leta preizkušeni v resničnih okoljih.

Med letoma 2010 in 2014 je potekala začetna faza raziskovanja s preizkusi v laboratorijih, kot je Telefónicin tehnološki laboratorij v Madridu. Od leta 2015 naprej so se pojavila prva hibridna pilotna omrežja, večji operaterji pa so začeli sodelovati v evropskih projektih, kot so OPENQKD ali Quantum Flagship za testiranje metropolitansko-regionalnih uvedbOd leta 2021 do 2023 so bili primeri uporabe v resničnem svetu že opaženi v sektorjih, kot so bančništvo, energetika in zdravstvo.

V trenutni fazi (2024–2025) je trend integracija kvantno varne zaščite neposredno na nameščena optična vlakna, ki povezujejo bolnišnice, podatkovne centre in sedeže podjetij z Šifriranje od konca do konca, odporno na kvantne napadeV obdobju 2026–2030 se pričakuje postopno povečanje množičnega sprejemanja standardov Q-Safe v komunikacijah, storitvah v oblaku in. kibernetska varnost.

Praktične aplikacije segajo od zaščite bančnih nakazil, kritičnih video klicev med uradi in preverjanja pristnosti med finančnimi institucijami do šifriranja občutljivih zdravstvenih podatkov in zaščite pametnih omrežij. Delo že poteka z Kvantno varni podpisi in potrdila, integrirani v eSIM-kartice in naprave Internet stvari, s čimer se krepi zaščita senzorjev, pametnih števcev in industrijskih nadzornih sistemov.

Tudi v taktičnih in vojaških okoljih veljajo kvantno varna omrežja za ključno komponento za poveljevanje in nadzor enot, izmenjavo tajnih informacij med agencijami in delovanje prek zasebnih omrežij 5G. Nizka latenca in robustno šifriranje proti prihodnjim grožnjamKvantni internet bo zato osrednji del sestavljanke digitalne obrambe in suverenosti.

Eksperimentalni napredek: od teorije do asfalta mest

Do nedavnega je bila večina predlogov za kvantni internet bodisi teoretične sheme bodisi zelo občutljive laboratorijske nastavitve. To se spreminja. Aprila 2025 je članek, ki so ga v reviji Optica Quantum objavile ekipe z Rochester Institute of Technology, Univerze v Rochesterju in drugih institucij, predstavil hibridna platforma, ki temelji na nelinearnih kristalih in integriranih fotonskih vezjih sposoben ustvarjati in upravljati pare prepletenih fotonov v realnih pogojih.

Sistem uporablja kristal PPKTP (periodično polariziran kalijev titanil fosfat), ki ob črpanju z ustrezno svetlobo proizvaja pare prepletenih fotonov z različnimi valovnimi dolžinami: enega v vidnem območju (656 nm) in drugega v telekomunikacijskem pasu (1536 nm), kar je združljivo s standardnimi optičnimi vlakni. Zaznavanje vidnega fotona potrjuje prisotnost njegovega dvojnika v telekomunikacijskem pasu in tako omogoča določene sheme. "Naznani" fotoni, ki močno izboljšajo zanesljivost komunikacije.

Prava inovacija je, da manipulacija in zaznavanje teh fotonov poteka znotraj integriranega, kompaktnega in stabilnega fotonskega čipa, brez potrebe po optiki v prostem prostoru ali ogromnih in dragih superprevodnih detektorjih. Sam silicij čipa deluje kot... filter šuma, ki zavira svetlobo črpalke in izboljšuje razmerje signal/šum, kar sistem močno poenostavi.

Izmerjeni, ne le simulirani rezultati, so pomembni: hitrosti generiranja fotonskih parov do 67 milijonov na sekundo, pri čemer se učinkovitost približuje pričakovanim teoretičnim mejam. Kljub temu sistem trpi zaradi izgub zaradi sklopitve pri prehodu iz kristala v čip in nekaj neželene fluorescence, kar so težave, s katerimi se avtorji nameravajo spopasti. optimizirane zasnove valovodov in materiali z nižjim šumom.

Posebej obetaven vidik je zamenjava kriogenih detektorjev z lavinskimi diodami SPAD, ki delujejo pri sobni temperaturi. To pomeni, da bi se ta vozlišča lahko uporabljala v običajna okolja zunaj laboratorija, kot so telekomunikacijski centri ali podatkovni centripribliževanje kvantnega interneta operativni realnosti.

V enem najbolj presenetljivih testov je bila naprava povezana z omrežjem RoQNET (Rochester Quantum Network), 38-kilometrsko zanko med RIT in Univerzo v Rochesterju. Kljub izgubam, ki so presegale 23 dB, je bila sposobna zaznati sovpadanja prepletenih fotonov, kar dokazuje, da je tehnologija ... Združljivo z obstoječo optično infrastrukturo in prilagodljivo za mestne razdalje.

Kvantna omrežja v mestih: spomini na diamant, rubidij in dušik

Poleg teh integriranih fotonskih dosežkov so druge ekipe uspele pošiljati in ohranjati kubite prek optičnih omrežij, ki so že nameščena v mestih, kot je Boston, in mestih na Kitajskem in Nizozemskem. Cilj je preizkusiti, kako se kubiti obnašajo. prepletanje v urbanem okolju z vibracijami, temperaturnimi spremembami in resničnim hrupom.

V Združenih državah Amerike so raziskovalci s Harvarda uporabili atome silicija, vdelane v diamantne kristale, kot kvantni pomnilnik. Z izkoriščanjem mestnega optičnega omrežja so omogočili, da so kvantne informacije sklenile zanko približno 35 kilometrov, kar je dokazalo, da lahko te napake v diamantu ... shrani kubite čas zadostno za delovanje omrežja.

Na Kitajskem se je ekipa z Univerze za znanost in tehnologijo odločila za kristale, dopirane z rubidijem, alkalno kovino, ki se pogosto uporablja v kvantnih poskusih. Zahvaljujoč relativno dolgi življenjski dobi teh pomnilnikov in dobro zasnovanemu glavnemu strežniku so lahko pošiljali kubite, ki so potovali približno 12,5 kilometra znotraj mesta in ohranjali kvantne korelacije, uporabne za distribucijo ključev ali teleportacijo.

Na Nizozemskem so raziskovalci uporabili atome dušika v diamantu kot spomine in povezali dva kvantna računalnika, oddaljena 10 kilometrov, z uporabo 25-kilometrskega optičnega omrežja s centralnim strežnikom. Vsak od teh pristopov tehta prednosti in slabosti različnih fizičnih platform, vendar vsi kažejo na izvedljivost Metropolitanska kvantna omrežja, podprta z obstoječo optično infrastrukturo.

Čeprav so te postavitve še vedno v eksperimentalni fazi in je do široke komercialne uporabe šele nekaj let, se skupnost strinja, da gre za velikanski korak. Nekateri vodje projektov ocenjujejo, da bi lahko do konca tega desetletja z uporabo približno desetih dobro zasnovanih vmesnih vozlišč dosegli prepletene povezave dolžine približno 1.000 kilometrov, kar bi prineslo idejo o kontinentalno kvantno omrežje, ki dopolnjuje kvantne satelite.

Uporaba: ekstremna varnost, porazdeljeno računalništvo in kvantni senzorji

Potencial kvantnega interneta sega daleč preko distribucije ključev. Ena glavnih kategorij uporabe je izboljšana varnost: kvantna distribucija ključev za brezpogojno varno šifriranje. Slepo kvantno računalništvo, kjer delegirate izračune, ne da bi razkrili svoje podatkein kvantne digitalne podpise, ki omogočajo preverjanje pristnosti brez možnosti ponarejanja, ne da bi ga kdo odkril.

Drugo močno področje je izboljšano računalništvo, kjer je več kvantnih računalnikov povezanih skupaj za reševanje nalog, ki bi presegle zmogljivost ene same naprave. To vključuje sheme porazdeljenega kvantnega računalništva in federativno kvantno strojno učenje, ki bi omogočilo skupno učenje modelov ob hkratnem ohranjanju zasebnosti iz lokalnih podatkov.

Obstaja tudi vrsta specializiranih aplikacij v metrologiji in temeljni znanosti. Kvantna senzorska omrežja lahko koordinirajo ultra natančne senzorje za astronomijo, geofiziko ali raziskovanje materialov, medtem ko sinhronizacija porazdeljenih kvantnih ur omogoča izboljšati natančnost navigacijskih sistemov, finančnih trgov in elektroenergetskih omrežijTukaj kvantne korelacije služijo za pridobitev občutljivosti na katero koli klasično limito.

V poslovni sferi sektorji, kot sta bančništvo in zdravstvo, že raziskujejo specifične primere uporabe. Finančne institucije testirajo QKD in postkvantne algoritme za Zaščitite prenose, komunikacijo med lokacijami in preverjanje pristnosti med institucijamiBolnišnice povezujejo operacijske sobe in sisteme za oddaljeno spremljanje pacientov s šifriranjem, odpornim na kvantne napade, s čimer zmanjšujejo tveganje razkritja občutljivih podatkov.

Končno bi se pametna mesta in kritična infrastruktura – energija, promet, voda – lahko zanašala na kvantno varna omrežja za zaščito ogromne količine podatkov, ki jih ustvarjajo njihovi senzorji in nadzorni sistemi. To bodo omogočili kvantno odporni certifikati in podpisi na napravah in zasebnih omrežjih 5G. za preprečevanje oddaljene manipulacije, prestrezanja ali obsežnih sabotaž v kontekstu, kjer digitalna odvisnost še naprej narašča.

Celoten ekosistem tehnologij in primerov uporabe kaže, da kvantni internet ni le akademska zanimivost, temveč del, ki se postopoma sestavlja na vrhu infrastrukture, ki jo že uporabljamo vsak dan, s ciljem ponuditi Komunikacije, računalništvo in meritve, podprti z najglobljimi zakoni fizike namesto da bi se zanašali izključno na matematično težavnost nekaj problemov.