Моментальное решение задач и почти абсолютная защита данных: как применяют квантовые технологии и в чём их недостатки

Обзор современных разработок и компаний, которые создают квантовые компьютеры, линии связи, сервисы квантовой защиты, квантовые спутники и телефоны.

Ещё с первой половины 20 века учёные ищут способ использовать квантовые технологии для защиты информации. Они разрабатывают такую систему передачи данных, чтобы её взлом противоречил законам физики.

К примеру, чтобы прочесть зашифрованное сообщение, получателю необходим ключ, с помощью которого он сможет перевести и понять засекреченную информацию. Ранее такие операции были ненадёжны: письмо с секретной информацией могли перехватить, аккаунт взломать и так далее.

Квантовая криптография же исключает такую возможность — при попытке воровства посылаемая по специальным сетям информация искажается, а вмешательство третьего лица сразу становится очевидным для отправителя и получателя.

Обмен сведениями происходит через одиночные фотоны по оптоволокну. Один фотон — один бит информации, который соответствует нулю или единице в зависимости от направления поляризации частицы.

ИТ, медицина, цифровая экономика, искусственный интеллект — часть отраслей, где используют квантовую защиту. В развитие этой технологии инвестируют правительства США, Китая, Великобритании, Японии, России и других стран.

Некоторые из госпрограмм: в США Конгресс утвердил проект развития квантовых технологий объёмом $20 млрд, в Европе действует программа Quantum Flagship с бюджетом более €3 млрд, а в Китае создают Национальную квантовую лабораторию с бюджетом до $12 млрд. Также в технологию вкладывались и корпорации вроде Google, Microsoft, Intel и IBM.

Несмотря на плюсы квантовой защиты, есть трудности, из-за которых государства не могут её применить масштабно.

Хотя фотоны и движутся со скоростью света, в линиях квантовой связи их распространение ограничено из-за тепловых шумов и дефектов оптоволокна

Высокий уровень помех замедляет скорость передач и приводит к тому, что системе приходится многократно повторять «посылку», чтобы исправить ошибки в коде.

Эту проблему пытаются решить сотрудники Делфтского института в Нидерландах, они работают над квантовыми повторителями — устройствами, способными «воссоздавать» квантовую информацию, не разрушая её.

В России проекты в сфере квантовых технологий развивают компании «Курэйт», «Кванттелеком» и «Инфотекс», работающие совместно с РКЦ, Университетом ИТМО и Центром квантовых технологий Московского госуниверситета имени Ломоносова (МГУ).

Группа Александра Львовского нашла способ «усиления» квантовых свойств светового импульса, обеспечивающего успешную передачу данных. Учёный уверен, что появление квантовых повторителей на рынке поспособствует массовому применению квантовой криптографии.

Часто квантовая криптография преподносится как абсолютно безопасная, однако уже известны несколько случаев её взлома. Один из них — во время исследований лабораторией Quantum hacking lab.

Чтобы получить ключ шифрования, Вадим Макаров, работающий в Норвежском университете естественных и технических наук (NTNU), и группа его коллег разработали систему, которая с помощью лазерного луча перехватила сигнал, расшифровала послание и подменила его таким образом, что получатель не заметил взлома.

В некоторых случаях перехватчику неважно, оставит ли он «следы». Для такой ситуации специалисты, которые тестируют коммерческие системы квантовой криптографии на наличие лазеек, разрабатывают разные виды атак. Например:

Так как квантовая криптография оказалось уязвимой из-за передачи фотонов, учёные нашли альтернативу — квантовую телепортацию (подразумевается передача информации, а не материи).

Законы микромира таковы, что если отправитель не знает заранее направления поляризации фотона, то и получатель определить его не сможет. Однако даже если кому-то из них удастся вычислить это направление, то оно тут же изменится и полученная информация будет неверной.

Учёные пришли к выводу: нужно найти способ передать сообщение косвенным образом, не напрямую. Этот способ связан с «запутанностью фотонов», что означает: две частицы неразрывно связаны между собой, и у каждой направление поляризации неизвестно, но какое бы оно ни было у одной из них — у другой будет противоположным.

«Если отправитель с Земли хочет телепортировать один фотон с неизвестным направлением поляризации на космическую станцию, то для этого ему нужно ещё два фотона, которые были бы связаны», — утверждает Юджин Ползик, профессор физики Института Нильса Бора.

Направление поляризации изначального фотона обозначим за В, связанный фотон на Земле — А, связанный фотон, который отправлен на космическую станцию, — -А. Отправитель производит общее измерение (-А+В) и посылает результат на космическую станцию, где получатель проводит аналогичную операцию: А-А+В=В. Результат: информация о фотоне телепортирована на космическую станцию.

Профессор Юджин Ползик объясняет этот процесс так: отправитель помещает один из связанных фотонов рядом с изначальным (направление которого он хочет измерить), а второй отправляет на космическую станцию. Затем отправитель производит общее измерение на одном из связанных фотонов и на изначальном, а после передаёт результат получателю (любой связью: по телефону, почте и так далее).

Из-за того что частицы «запутаны», фотон на космической станции изменит направление поляризации в зависимости от того, каков результат измерения отправителя. Измерив все три направления поляризаций (связанные фотоны имеют противоположные направления, которые сократятся), получатель получит информацию об изначальном фотоне.

На практике это значит, что отправленное таким способом сообщение получит только тот, кому оно адресовано. Даже если злоумышленнику удастся перехватить сообщение по классическому каналу (телефону, интернету и так далее), у него не будет возможности прочесть информацию из-за отсутствия одного из связанных фотонов, которые находятся у отправителя и получателя.

Квантовые компьютеры планируют использовать для создания новых лекарств, изучения свойств материалов, решения логистических задач (например, избавить город от пробок).

Хотя сейчас квантовые компьютеры не способны решать проблемы такого масштаба (слишком сложны в конструировании и нестабильны в работе), компании уже выпускают их, чтобы закрепиться на рынке.

Сейчас в компьютерах бит может находиться в двух состояниях — ноль или единица. В квантовом компьютере вместо битов — кубиты: квантовые частицы, которые могут быть не только нулями и единицами, но и значениями между этими цифрами. Как и в случае с «запутанностью фотонов», кубиты связаны между собой, поэтому квантовые компьютеры одновременно перебирают все возможные варианты решения, и на момент введения данных результат уже будет получен.

Скорость квантовых компьютеров можно оценить на примере: в 2019 году Google объявила, что её квантовый компьютер (с 53-кубитовым процессором) смог за 3 минуты 20 секунд выполнить расчёт, на который самому мощному в мире суперкомпьютеру Summit от IBM понадобилось бы примерно 10 тысяч лет. Пока квантовый компьютер от Google в партнёрстве с NASA может выполнять только один технический расчёт. Следующий этап проекта — решение практических задач с помощью этого устройства.

Современный исследовательский центр квантовых вычислений и квантового интернета QuTech также работает над созданием квантового компьютера. Для этого он привлекает молодых учёных и студентов старших курсов университетов.

В России квантовый компьютер разрабатывает «Росатом». Корпорация пообещала создать его к 2024 году и планирует потратить на него 24 млрд рублей. Экономический эффект от разработки ожидается не ранее чем через пять лет, планируется создать четыре типа квантовых компьютеров размером от 50 до 100 кубитов.

«Росатом» ведёт переговоры о разработке с 25 компаниями, среди которых «Сбербанк» и «Сбербанк-Технологии», «Газпромбанк», «Сибур» и «Газпромнефть».

Сегодня квантовые системы стоят сотни тысяч долларов. Например, комплект устройств квантовой криптографии от швейцарской компании ID Quantities, обеспечивающей сетевую безопасность как государственных, так и коммерческих организаций по всей Европе, стоит около $200 тысяч.

Поэтому разработчики коммерческих решений предлагают технологию квантового распределения ключей (метод, позволяющий двум сторонам, соединенным по открытому каналу связи, создать общий случайный ключ, который известен только им, и использовать его для шифрования и расшифрования сообщений) в виде сервиса.

Эта технология позволяет вырабатывать и менять симметричные ключи практически любой длины с недоступной ранее скоростью, предотвращая угрозу квантовых алгоритмов криптоанализа (подбирая нужный ключ, хакер потратит тысячи, если не миллионы, лет).

Такую альтернативу используют, например, в банковской сфере (ключи уже передаются в «Газпромбанке»), где требуется соблюдение особых условий безопасности. Компании Id Quantique, MagiQ, Smart Quantum уже предлагают готовые криптосистемы.

Среди других крупных проектов: «Ростелеком» прогнозирует в течение двух лет (начиная с середины 2019 года) запуск первых коммерческих сервисов с использованием квантового шифрования.

В феврале 2020 года в журнале Nature Пан Цзянь-Вэй из Китайского Университета науки и технологий в Хэфэй и его коллеги описали эксперимент, в котором они продемонстрировали более эффективный способ запутывания двух частиц.

Команда создала запутанное состояние двух узлов из ансамблей охлаждённых атомов, помещённых в резонатор. Узлы были связаны оптоволокном, а запутанность строилась через фотоны, частоты которых были сдвинуты таким образом, чтобы потери в оптоволокне были минимальными. В итоге физики обнаружили новый способ более надёжного запутывания, чем в предыдущих экспериментах.

В 2016 году в России проложили первую в стране линию квантовой связи. Эта линия соединила два филиала «Газпрома» в Москве, а её общая протяжённость составила около 30 км. Вскоре запустили и первую междугороднюю линию в Ленинградской области. Её протяжённость составила 60 км.

В 2017 году специалисты РКЦ создали линию квантовой связи между двумя отделениями «Сбербанка» в Москве и опробовали её: передали по ней не только квантовые ключи шифрования, но и финансовые данные.

В 2021 году в России планируют создать коммерческую линию квантовой связи длиной 670 км. Проект «Ростелекома» называется «Ландау», его реализуют по программе «Цифровая экономика России 2024». Сеть между расположенными в Москве и Удомле (Тверская область) центрами обработки данных смогут использовать как крупные государственные компании, так и частные корпорации, в том числе банки.

В университете ИТМО планируют создать серийные устройства, которые позволят надёжно зашифровать обычные линии связи. Инвестором проекта стала компания СМАРТС, которая рассчитывает на запуск серийного производства устройств для квантовой защиты линий связи в течение трёх-пяти лет. «В мире интерес к квантовой связи проявляют в первую очередь финансовые организации и спецслужбы», — пояснил председатель совета директоров СМАРТС Геннадий Кирюшин.

Квантовый канал Пекин-Шанхай соединил Пекин с Цзинанем и Хэфэй с Шанхаем на расстоянии более 1200 миль. Несколько крупных китайских банков уже используют эту связь для передачи конфиденциальных данных.

Хотя недавно открытая в Китае связь — квантовая, она всё ещё уязвима. Из-за помех при передаче данных фотонами на большие расстояния сигнал должен ретранслироваться «узлом», который расшифрует и перекодирует данные перед их передачей. Этот процесс делает узлы восприимчивыми к взлому. Существует 32 таких узла для квантовой связи Пекин-Шанхай.

Чтобы система квантовой связи была на 100% безопасна, сами узлы также должны быть защищены от взлома. Учёные уже работают над решением, пытаясь создать квантовый повторитель.

Другой способ расширить границы применения квантовой связи — использование спутниковых и космических линий связи, которые могут соединить две удалённые точки на Земле с меньшими потерями.

Наноспутник, разработанный Национальным университетом Сингапура и запущенный в 2015 году, создал фотоны, которые можно использовать для реализации квантовой сети между космосом и Землёй.

Японский национальный институт информационных и коммуникационных технологий (NICT) продемонстрировал квантовую связь космос-Земля с микроспутником летом 2017 года.

Два индийских исследовательских агентства, финансируемые национальным правительством, Рамановский исследовательский институт в Бангалоре и Индийская организация космических исследований подписали в конце 2017 года меморандум о создании квантовой сети связи через спутник.

Квантовый спутник связи QSS (Quantum experiments at Space Scale) под названием Micius запустили в Китае в 2016 году. Он позволил учёным в Пекине и Вене провести первую квантово-зашифрованную видеоконференцию на расстоянии более 7400 км, а кроме того, создал ключи с помощью «запутанности фотонов» между Китаем и Европой в местах, удалённых до 7600 км на Земле.

«Успех этих проектов и экспериментов сделал Китай лидером в области квантовых коммуникаций», — написал Хуан Инь, один из авторов статьи “Physical Review Letters”, в которой объясняется принцип работы квантового спутника связи QSS.

По словам учёного, несмотря на последние достижения, космической квантовой связи требуются доработки. Охват спутника ограничен — он должен лететь прямо над пользователем. Одним из решений будет отправка серии космических аппаратов для формирования глобальной спутниковой сети.

Также существует ограничение на пропускную способность: в случае Micius в 2016 году только один из шести миллионов фотонов, отправленных спутником, достигал наземного приёмника. Максимальная скорость для QSS составляет несколько килобайт в секунду — этого достаточно для передачи пары квантовых ключей между двумя научными группами, но едва ли приемлемо для одновременного шифрования конфиденциальных транзакций миллионов пользователей интернета.

Ещё одна проблема связана с телепортацией фотонов в течение дня — яркость солнца подавит слабый сигнал спутника.

В 2017 году сотрудники физического факультета МГУ создали и протестировали квантовый телефон, позволивший соединить рабочие станции и зашифровать трафик между ними с использованием квантового распределения ключей.

«Инфотекс» — российский разработчик ПО в сфере информационной безопасности — собирается продавать квантовый телефон в первую очередь крупным корпорациям, поскольку утечки данных чаще всего связаны с разглашением информации сотрудниками. Заместитель гендиректора «Инфотекса» Дмитрий Гусев говорил: «Базовый набор аппаратуры (один сервер и два телефона) стоит около 30 млн рублей».

В 2019 году оборудование показывали и предлагали протестировать потенциальным заказчикам, а также планировали серийное производство партий квантового телефона. По данным на март 2020 года информации о продажах таких телефонов нет.

Разработками российских учёных заинтересовались в Южной Корее — там готовятся к выпуску городских кроссоверов, снабжённых такими телефонами. Проблема такого проекта связана с температурными режимами устойчивой передачи сигнала и с затратами энергии, не позволяющими сделать систему компактной — в виде обычного мобильного телефона.

Решить проблемы «больших габаритов» может компания Quantum Flagship: она создаёт «чипы» — генераторы квантовых случайных чисел, которые обрабатывают миллионы бит в секунду и могут быть интегрированы в смартфоны. Главная идея в том, что современная компьютерная безопасность основана на случайных числах, но обычные вычисления не способны генерировать случайные числа такой же чистотой, как квантовые объекты.

Этот проект под названием QRange возглавляет Хуго Збинден, специалист по квантовой физике в Женевском университете, в его задачи входит: сделать квантовые генераторы случайных чисел меньше, быстрее и дешевле.

#квантовыйкомпьютер #наука #телеком #космос #google #microsoft #ibm #ростелеком #росатом