Абсолютная защита: что такое квантовые коммуникации и как они работают. Больше, чем любовь

Российский и чешско-словацкий физики предложили метод сохранения квантовой запутанности фотонов при прохождении усилителя или передаче на большое расстояние.

Квантовая запутанность или сцепленность частиц – явление связи их квантовых характеристик. Она может возникать при рождении частиц в одном событии или их взаимодействии. Эта связь может сохраняться, даже если частицы расходятся на большое расстояние, что позволяет передавать с их помощью информацию. Дело в том, что если измерить квантовые характеристики одной из связанных частиц, то автоматически становятся известны и характеристики второй. Эффект не имеет аналогов в классической физике. Он был экспериментально доказан в 1970 – 80-х годах, и его активно изучают в последние несколько десятилетий. В перспективе он может стать основой целого ряда информационных технологий будущего.

Забавную житейскую аналогию этого явления придумал один из его исследователей, физик-теоретик Джон Белл. Его коллега Рейнгольд Бертлман страдал рассеянностью и часто приходил на работу в носках разного цвета. Предсказать эти цвета было невозможно, но Белл шутил, что достаточно увидеть розовый носок на левой ноге Бертлмана, чтобы сделать вывод, что на правой ноге у него носок другого цвета, даже не видя его.

Одна из проблем практического использования явления квантовой запутанности заключается в нарушении связи при взаимодействии частиц с окружающим миром. Такое может произойти при усилении сигнала или при его передаче на большое расстояние. Эти два фактора могут действовать и вместе, поскольку для передачи сигнала на большое расстояние его надо усиливать. Поэтому фотоны после прохождения через многие километры оптоволокна в большинстве случаев перестают быть квантово запутанными и превращаются в обычные, не связанные между собой кванты света. Чтобы избежать разрушения связи в экспериментах по квантовым вычислениям, приходится использовать охлаждение до близких к абсолютному нулю температур.

Физики Сергей Филиппов (МФТИ и Российский квантовый центр в Сколково) и Марио Зиман (Масариков университет в Брно, Чехия, и Физический институт в Братиславе, Словакия) нашли способ сохранить квантовую запутанность фотонов при прохождении через усилитель или, напротив, при передаче на большое расстояние. Подробности опубликованы в статье (см. также препринт) для журнала Physical Review A.

Суть их предложения заключается в том, что для передачи сигналов определенного вида необходимо, чтобы «волновая функция частиц в координатном представлении не должна иметь вид гауссова волнового пакета». В этом случае вероятность разрушения квантовой запутанности становится намного ниже.

Волновая функция – одно из базовых понятий квантовой механики. Она используется для описания состояния квантовой системы. В частности, явление квантовой запутанности описывается на основе представлений об общем состоянии связанных частиц с определенной волновой функцией. В соответствии с копенгагенской интерпретацией квантовой механики физический смысл волновой функции квантового объекта в координатном представлении заключается в том, что квадрат ее модуля определяет вероятность обнаружить объект в данной точке. С ее помощью можно также получить информацию об импульсе, энергии или еще какой-либо физической величине объекта.

Гауссова функция - одна из важнейших математических функций, нашедшая применение не только в физике, но и во многих других науках вплоть до социологии и экономики, имеющих дело с вероятностными событиями и использующих статистические методы. Очень многие процессы в природе приводят к этой функции при математической обработке результатов наблюдений. Ее график выглядит как колоколообразная кривая.

Обычные фотоны, которые используются сейчас в большинстве экспериментов по квантовому запутыванию, тоже описываются гауссовой функцией: вероятность найти фотон в той или иной точке в зависимости от координат точки имеет колоколообразный гауссов вид. Как показали авторы работы, в этом случае переслать запутанность далеко не получится, даже если сигнал очень мощный.

Использование фотонов, волновая функция которых имеет иную, негауссову, форму, должна существенно повысить число доходящих до адресата запутанных фотонных пар. Однако это не означает, что сигнал можно будет передать через сколь угодно непрозрачную среду или на сколь угодно большое расстояние, – если соотношение сигнал/шум падает ниже некоторого критического порога, то эффект квантовой запутанности исчезает в любом случае.

Физики уже научились создавать запутанные фотоны, разнесенные на несколько сотен километров, и нашли им несколько очень перспективных применений. Например, для создания квантового компьютера. Это направление представляется многообещающим благодаря высокому быстродействию и низкому энергопотреблению фотонных устройств.

Другое направление – квантовая криптография, позволяющая создать линии связи, в которых всегда можно обнаружить «прослушивание». Она основана на том, что любое наблюдение за объектом есть воздействие на него. А воздействие на квантовый объект всегда меняет его состояние. Это означает, что попытка перехватить сообщение должна привести к разрушению спутанности, о чем сразу станет известно получателю.

Кроме того, квантовая запутанность позволяет реализовать так называемую квантовую телепортацию. Ее не надо путать с телепортацией (переносом в пространстве) предметов и людей из фантастических фильмов. В случае квантовой телепортации на расстояние передается не сам объект, а информация о его квантовом состоянии. Все дело в том, что все квантовые объекты (фотоны, элементарные частицы), а вместе с ними и атомы одного вида являются абсолютно одинаковыми. Поэтому, если атом в точке приема приобретает квантовое состояние, идентичное атому в точке передачи, то это эквивалентно созданию копии атома в точке приема. Если бы существовала возможность переноса квантового состояния всех атомов предмета, то в месте приема возникла бы его идеальная копия. С целью передачи информации можно телепортировать кубиты – наименьшие элементы для хранения информации в квантовом компьютере.

По материалам сайта МФТИ

Сергей Кузнецов

Редактор

Квантовая связь без лишнего шума

Ученые из исследовательского центра Toshiba в Кембриджском университете, кажется, сумели совершить очередной прорыв в квантовой связи. Об уровне прорыва говорит то, что их статья удостоилась публикации в топовом Nature . Авторы статьи утверждают, что им удалось передавать зашифрованные при помощи квантового распределения ключей (quantum key distribution, QKD) данные по обычному коммерческому оптоволокну на 550 километров с «управляемым уровнем шума» - и это без использования квантовых повторителей. То есть им удалось превзойти некий предел соотношения «толщины» канала и расстояния передачи данных.

Чтобы понять, насколько это важно, давайте разберемся, что такое квантовое распределение ключей, о котором говорится в новой работе.

Обычно, когда речь заходит о квантовой криптографии, прибегают к трем персонам – Алисе и Бобу, которые хотят приватно пообщаться, и Еве, которая хочет их подслушать. Существует теорема Вернама, согласно которой Ева никогда не сможет прочесть их переписку, если Алиса и Боб разделят ключ, длина которого равна длине их сообщений. Но, зная это, все правильные шпионы обычно стремятся скрытно скопировать ключ в тот самый момент, когда его распределяют Алиса и Боб.

Тут нам на помощь приходит квантовый мир, в котором существует запрет на клонирование (читай: копирование) неизвестного квантового состояния. Да-да, тут речь идет именно о той самой квантовой запутанности. Исходя из этого в 1984 году Чарльз Беннет и Жиль Брассар предложили систему квантового распределения ключей, разработав протокол BB84.

Что это означает в реальности? По факту Алиса отправляет Бобу отдельные фотоны, которые имеют, например, один из четырех видов поляризации (вертикальная, горизонтальная и две диагональных).

Например, вертикальная и горизонтальная поляризация кодируют «ноль» и «единицу» в одном методе измерения, а две диагональных поляризации отвечают «нулю» и «единице» в другом методе измерения. Затем Боб случайным образом выбирает способ измерения состояния фотона. Лишь если способ приготовления и измерения фотона совпадают, Алиса и Боб записывают полученный бит в секретный ключ шифрования. Вместо поляризации можно использовать изменение фазы фотона.

Но есть несколько фундаментальных проблем. Во-первых, это проблема устройства, способного отправлять одиночные фотоны. На практике в коммерческих линиях квантовой связи часто пользуются очень слабыми лазерными импульсами, хотя прогресс в разработке однофотонных источников тоже достигнут. А во-вторых, так как передача сигнала осуществляется отдельными фотонами, возникает проблема шума. Оптоволокно по-разному нагревается (тепловые фотоны), может быть по-разному изогнуто и так далее.

Поэтому на нынешний момент существуют аппаратно-независимые пределы пропускной способности квантовой связи в зависимости от расстояния. На практике это 1,26 мегабита в секунду на расстояние 50 километров по стандартному кабелю и - сравните - 1,16 бита в час (!) на расстояние в 404 километра (символично) по специальному кабелю с ультранизкими потерями данных.

Вот вам пример: в прошлом августе китайские исследователи опубликовали в том же Nature результаты эксперимента по реализации протоколов квантовой криптографии между космосом и Землей. Тогда со спутника «Мо Цзы» на расстояние в 1200 километров более 300 килобайт секретного ключа. Это стало возможно потому, что и околоземное пространство, и верхние слои атмосферы почти не шумят. По обычному оптоволокну на 1200 километров один бит просеянного ключа передавали бы около шести миллиардов лет.

Чтобы передавать сигнал на более далекое расстояние, специалисты по квантовой связи работают над квантовыми повторителями. Можно подумать, что это - квантовые ретрансляторы, однако на самом деле принцип их работы совсем другой.

Мы уже говорили, что в квантовом мире невозможно клонировать квантовое состояние. А ведь обычный ретранслятор электромагнитного сигнала (радио, например), делает именно это: воспринимает сигнал и воспроизводит его заново. С квантовым посланием так обращаться нельзя. Поэтому квантовый повторитель – это скорее обычный квантовый компьютер, который способен хранить исходный сигнал (кубит). Однако пока что квантовые повторители на практике – дело будущего.

А вот теперь вернемся к статье кембриджцев.

Как мы помним, Алиса у нас отправляет фотоны Бобу. То есть у Алисы есть лазер, у Боба – детекторы фотонов. Однако авторы предлагают ввести в уравнение Чарли, который расположен посередине. Чарли - «на аутсорсе», ему отдаются детекторы. И Алиса, и Боб генерируют фазово-рандомизированные оптические поля, которые объединяются у Чарли. Поля, передаваемые с той же случайной фазой, являются «близнецами» и могут быть использованы для выделения квантового ключа.

В такой схеме «двупольного» квантового распределения ключей (twin field quantum key distribution, TF-QKD) существует такая же зависимость потери сигнала от расстояния, однако за счет этого хитрого хода удается сохранять приемлемый шум еще на протяжении 550 километров. Действительно, прорыв!

Дело в том, что в предложенной схеме «шум» представляет собой дрифт (сползание) фазового сдвига, которое можно компенсировать, если станция Чарли будет работать фазовым модулятором, корректируя дрифт. Это делает возможным квантовую связь «с управляемым шумом» на расстояние в полтысячи километров по обычному оптоволокну, что было просто невозможно без использования квантовых повторителей.

МОСКВА, 16 июн - РИА Новости. Ученые и инженеры из Российского квантового центра запустили первую в стране полноценную линию квантовой защищенной связи. Первая передача криптографической информации по 30-километровой коммерческой линии связи, соединившей два здания Газпромбанка в Москве, состоялась 31 мая, сообщает пресс-служба РКЦ.

"Это наглядная иллюстрация того, как фундаментальная наука, квантовая физика приносит зримые технологические плоды. И квантовая криптографическая линия — только первая из них, мы разрабатываем и другие квантовые технологии, которые будут менять жизнь людей к лучшему", — заявил Руслан Юнусов, генеральный директор Российского квантового центра.

Феномен квантовой запутанности является основой современных квантовых технологий. Это явление, в частности, играет важную роль в системах защищенной квантовой связи - такие системы полностью исключают возможность незаметной "прослушки" из-за того, что законы квантовой механики запрещают "клонирование" состояния частиц света. В настоящее время системы квантовой связи активно разрабатываются в Европе, в Китае, в США.

Работа над системой квантовой связи в Российском квантовом центре была начата в 2014 году при поддержке Газпромбанка и Министерства образования и науки России. Инвестиции в проект составляют около 450 миллионов рублей.

Научным руководителем проекта стал профессор Александр Львовский. Позднее для осуществления этого проекта была создана компания QRate, которую возглавил Юрий Курочкин. Первый в России квантовый защищённый канал связи был построен между отделениями Газпромбанка на Коровьем валу и в Новых Черемушках.

Как рассказывал РИА Новости Юнусов в ноябре 2015 года, отличительным свойством российского пилотного проекта было то, что ученые используют не особые линии связи, изготовленные и собранные специально для передачи защищенной информации, как это делают их коллеги в Швейцарии, США и Китае, а обычные "городские" оптоволоконные линии.

"Принципиально важно, что канал был создан на основе стандартной телекоммуникационной линии, построенной из обычного оптоволоконного кабеля. Это значит, что наша технология может широко применяться на существующих сетях без переделок", — поясняет Юрий Курочкин, чьи слова приводит пресс-служба РКЦ.

Общая длина линии составила 30,6 километра, процент ошибок при передаче ключа не превышает 5%, что является очень хорошим показателем для сети в городских условиях. Газпромбанк, который вкладывал средства в этот проект, намерен в последующем использовать квантовую связь в своей работе.

"Задача повышения защиты банковских каналов связи, а также электронных средств платежей от злоумышленников становится все более актуальной во всем мире. Внедрение передовых технологий, реализованных РКЦ, позволяет противопоставить изощренным методикам киберпреступников самые высокие достижения науки. Начало практического применения квантовых изобретений в банковской отрасли служит лучшим подтверждением значимости РКЦ на передовой науки и техники", — добавил Дмитрий Зауэрс, заместитель председателя правления Газпромбанка.

Заинтересованность в использовании разработок РКЦ в сфере защищенной связи проявили и другие организации, в том числе и Сбербанк.

Телеграф «убил» голубиную почту. Радио вытеснило проводной телеграф. Радио, конечно, никуда не исчезло, но появились другие технологии передачи данных – проводные и беспроводные. Поколения стандартов связи сменяют друг друга очень быстро: 10 лет назад мобильный интернет был роскошью, а теперь мы ждем появления 5G. В скором будущем нам понадобятся принципиально новые технологии, которые будут превосходить современные не меньше, чем радиотелеграф - голубей.

Что это может быть и как оно повлияет на всю мобильную связь - под катом.

Виртуальная реальность, обмен данными в умном городе с помощью интернета вещей, получение информации со спутников и из поселений, расположенных на других планетах Солнечной системы, и защита всего этого потока - такие задачи нельзя решить одним только новым стандартом связи.

Квантовая запутанность

Один из основных вариантов ожидающей нас эволюции связи - использование квантовых эффектов. Эта технология не исключит, но может дополнить традиционные виды связи (хотя нельзя сходу отвергнуть идею, что сеть на основе квантовой запутанности , теоретически, может вытеснить остальные виды связи).

Квантовая запутанность - это явление связи квантовых характеристик. Связь может сохраняться, даже если частицы расходятся на большое расстояние, так как, измеряя квантовые характеристики одной из связанных частиц, мы автоматически узнаем характеристики и второй. Первый протокол квантовой криптографии появился ещё в 1984 году. С тех пор создано множество как экспериментальных, так и коммерческих систем, основанных на явлениях квантового мира.

(с) Chinese Academy of Sciences

Сегодня квантовая связь используется, например, в банковской сфере , где требуется соблюдение особых условий безопасности. Компании Id Quantique , MagiQ , Smart Quantum уже предлагают готовые криптосистемы. Квантовые технологии для обеспечения безопасности можно сравнить с ядерным оружием - это почти абсолютная защита, подразумевающая, правда, серьезные затраты на реализацию. Если с помощью квантовой запутанности передать ключ шифрования, то его перехват не даст злоумышленникам никакой ценной информации - на выходе они получат просто другой набор цифр, потому что состояние системы, в которую вмешивается внешний наблюдатель, меняется.

Создать глобальную совершенную систему шифрования до недавнего времени не удавалось - уже через несколько десятков километров передаваемый сигнал затухал. Предпринимали много попыток увеличить это расстояние. В этом году Китай запустил спутник QSS (Quantum experiments at Space Scale), который должен реализовать схемы квантового распределения ключа на расстоянии более 7000 километров.

Спутник будет генерировать два запутанных фотона и отправлять на Землю. Если всё пройдет удачно, то распределение ключа при помощи запутанных частиц станет началом эры квантовой связи. Десятки таких спутников смогли бы стать основой не только нового квантового интернета на Земле, но и квантовой связи в космосе: для будущих поселений на Луне и Марсе и для дальней космической связи со спутниками, направляющимися за пределы Солнечной системы.

Квантовая телепортация

При квантовой телепортации никакого материального переноса объекта из пункта А в пункт Б не происходит - происходит передача «информации», а не вещества или энергии. Телепортация используется для квантовых коммуникаций, например для передачи секретной информации. Надо понимать, что это не информация в привычном нам виде. Упрощая модель квантовой телепортации, можно сказать, что она позволит генерировать последовательность случайных чисел на обоих концах канала, то есть мы сможем создать шифроблокнот , который нельзя перехватить. В обозримом будущем это единственное, что можно сделать с помощью квантовой телепортации.

Впервые в мире телепортация фотона состоялась в 1997 году. Спустя два десятилетия телепортация по оптоволоконным сетям стала возможна на десятки километров (в рамках Европейской программы в области квантовой криптографии рекорд составил 144 километра). Теоретически, уже сейчас в городе можно построить квантовую сеть. Однако есть существенная разница между лабораторными и реальными условиями. Оптоволоконный кабель подвергается перепадам температур, из-за чего меняется коэффициент преломления. Из-за воздействия солнца может сдвинуться фаза фотона, что в определенных протоколах приведёт к ошибке.

, лаборатория квантовой криптографии.

Эксперименты ведутся по всему миру, в том числе и в России. Несколько лет назад появилась первая в стране линия квантовой связи. Она связала два корпуса университета ИТМО в Санкт-Петербурге. В 2016 году ученые из Казанского квантового центра КНИТУ-КАИ и университета ИТМО запустили первую в стране многоузловую квантовую сеть, добившись скорости генерирования просеянных квантовых последовательностей в 117 кбит/c на линии протяжённостью 2,5 километра.

В текущем году появилась и первая коммерческая линия связи - Российский квантовый центр связал офисы «Газпромбанка» на расстоянии 30 километров.

Осенью физики лаборатории квантовых оптических технологий МГУ и Фонд перспективных исследований испытали автоматическую систему квантовой коммуникации на расстоянии 32 километра, между Ногинском и Павловским Посадом.

С учётом темпов создания проектов в области квантовых вычислений и передачи данных, через 5-10 лет (по мнению самих физиков) технология квантовой коммуникации окончательно выйдет из лабораторий и станет такой же привычной, как мобильная связь.

Возможные недостатки

В последние годы всё чаще обсуждают вопрос информационной безопасности в сфере квантовой связи. Раньше считалось, что с помощью квантовой криптографии можно передавать информацию таким образом, что её нельзя перехватить ни при каких обстоятельствах. Оказалось, что абсолютно надежных систем не существует: физики из Швеции продемонстрировали, что при некоторых условиях квантовые системы связи можно взломать благодаря некоторым особенностям в подготовке квантового шифра. Кроме того, физики из Калифорнийского университета предложили метод слабых квантовых измерений, который фактически нарушает принцип наблюдателя и позволяет вычислить состояние квантовой системы по косвенным данным.

Впрочем, наличие уязвимостей - это не повод отказываться от самой идеи квантовой связи. Гонка между злоумышленниками и разработчиками (учеными) продолжится на принципиально новом уровне: с использованием оборудования с высокими вычислительными мощностями. Такое оснащение по силам далеко не каждому хакеру. Кроме того, квантовые эффекты, возможно, позволят ускорить передачу данных . С помощью запутанных фотонов можно передавать почти вдвое больше информации в единицу времени, если их дополнительно кодировать с помощью направления поляризации.

Квантовая связь - не панацея, но пока она остается одним из самых перспективных направлений развития глобальных коммуникаций.

Несмотря на то, что это явление описывается теориями квантовой механики и доказывается экспериментально, многие учёные относятся к нему скептически. Этот раскол в научном мире произошёл ещё с момента спора Альберта Эйнштейна и Нильса Бора. Эйнштейн говорил, что квантовая запутанность — идея слишком абсурдная и не имеет ничего общего с реальностью и наблюдениями. Он называл это "призрачным взаимодействием" (spooky action ), поскольку данная теория шла вразрез с его утверждением о непреодолимости скорости света.

Сегодня учёные из Израиля экспериментально доказали, что возможно создать пару фотонов, имеющих квантовую связь, даже если они не существуют в одно и то же время. То есть, к тому удивительному факту, что подобная связь работает даже на большом расстоянии (хоть все 13,8 миллиардов световых лет), добавляется ещё и временное разделение. Получается, что взаимосвязь двух частиц настолько сильна, что их может разделять и время, и пространство, а квантовая связь всё равно будет действовать.

Квант света, он же фотон (который одновременно представляет собой и частицу, и волну) может быть поляризован и, по сути, может принимать два состояния: вертикальной и горизонтальной поляризации. Запутанность возникает, если имеются парные фотоны, каждый из которых может быть либо горизонтально, либо вертикально поляризованным. Их квантовая связь проявляется следующим образом: если измерить состояние одного фотона, то можно с уверенностью сказать, что состояние его пары будет противоположным. То есть, если частица, свойства которой мы можем узнать, поляризована вертикально, то парная частица, находящаяся хоть на другом конце Вселенной, будет поляризована горизонтально, и наоборот.

Специалист по квантовой оптике Эли Мегидиш (Eli Megidish) и его коллега Хагай Айзенберг (Hagai Eisenberg) из Еврейского университета в Иерусалиме создали квантовую связь между двумя фотонами, которые не существовали одновременно.

Они начали со схемы, известной как "обмен запутанностями" (entanglement swapping ). Для этого они дважды направили луч лазера на специальный кристалл, чтобы получить две пары фотонов. Полученные частицы обозначили цифрами: пара 1 и 2, пара 3 и 4. Первоначально частицы 1 и 4 не имели квантовой связи, но она должна была появиться, как только учёные установили бы запутанность между фотонами 2 и 3.

"Проекционное измерение" свойств одной из частиц вызывает появление определённого её состояния, а также изменение состояния парной частицы на противоположное, как в случае с вертикальной и горизонтальной поляризацией. Таким образом, даже если фотоны 2 и 3 не были изначально запутаны, путём измерений физики придали одному из них одно состояние из двух, а его "напарнику" — противоположное.

Любое измерение вызывает запутанность фотонов, даже если при этом происходит разрушение одного из них. Итак, если рассматривать только тот случай, при котором частицы 2 и 3 оказываются в одном и том же состоянии, то фотоны 1 и 4 автоматически оказываются запутанными после измерений. Для наилучшего понимания можно привести простой пример: если у вас есть цепь из четырёх звеньев, то при соединении её крайних звеньев, серединные также оказываются связанными.

Чтобы создать квантовую запутанность между фотонами 1 и 4, которые даже не существовали в один и тот же момент, Айзенберг и его коллеги для начала запутали фотоны из пары 1 и 2, а затем измерили поляризацию фотона 1 обычным способом. Затем уже физики "связали" частицы 3 и 4 и произвели "проекционные измерения". Последним этапом исследователи измерили поляризацию фотона 4. И даже при условии того, что фотоны 1 и 4 никогда не сосуществовали, квантовая запутанность всё равно проявлялась между ними, сообщают учёные в препринте статьи на сайте arXiv.org.

Айзенберг говорит, что даже в условиях теории относительности, где два наблюдателя, движущиеся с разной скоростью, по-разному воспринимают последовательность событий во времени, ни один из них не скажет, что частицы 1 и 4 из его эксперимента когда-то существовали одновременно.

"Наш эксперимент показывает, что не совсем логично считать квантовую запутанность каким-то реальным физическим явлением. Поскольку два фотона никогда не существовали одновременно, невозможно утверждать, что между ними существовала связь в какой-либо момент времени", — рассказывает Айзенберг.

Физик из Венского университета Антон Цайлингер (Anton Zeilinger) считает, что эксперимент его израильских коллег в очередной раз доказывает, как неустойчивы концепции квантовой механики. "Квантовые эффекты имеют мало общего с тем, что мы наблюдаем в реальной жизни каждый день", — говорит он.

И всё же прогресс в области квантовой механики может в корне изменить привычную для нас жизнь. К примеру, на основе исследования Айзенберга и его коллег можно будет создать неразрывную скрытую связь между двумя пользователями, находящимися на большом расстоянии друг от друга. Пользователю на другом конце "провода" не нужно будет ждать, пока передаётся информация: изменение состояния противоположного фотона мгновенно вызовет изменение и его пары. Цайленгер также надеется, что такие эксперименты смогут вдохновить создателей квантовых компьютеров на усовершенствование технологий.