Через что осуществляется квантовая коммуникация
Что такое квантовые технологии
Квантовая технология — это технология, основанная на квантовой физике. Ей уже более 70 лет. Всем известные транзисторы, лазеры, да и вся полупроводниковая электроника разработана с применением знаний о квантовой физике. Тогда почему об этой технологии все чаще говорят в будущем времени? Таким вопросом открыл конференцию профессор физического факультета Университета Калгари, член научного совета Российского квантового центра (РКЦ), редактор журнала Optics Express Александр Львовский. И тут же прояснил его.
Что такое квантовые коммуникации
Квантовые коммуникации (Quantum Communication — QC) — это область знаний о передаче неизвестного квантового состояния из одного местоположения (например, точка А) в другое, удаленное от первого местоположение (скажем, в точку Б). Эта задача не является тривиальной из-за теоремы о невозможности квантового клонирования состояния, которая запрещает делать это так, как делается в классической физике.
Ярослав Дубовиков, исполнительный директор Объединенной телекоммуникационной корпорации (оператор связи ОТК): «Когда квантовые коммуникации станут реальностью, они полностью перевернут наше представление о возможностях коммуникации. Это то будущее, которого мы все ждем».
Капитализация рынка квантовых технологий
«Современные кубиты быстро теряют когерентность. Не могут хранить информацию, — отметил он. — Главная задача на сегодня — создать хотя бы один логический кубит, который состоит из физических кубитов. И может хранить информацию сколь угодно долго посредством коррекции ошибок».
Данными общего рынка капитализации квантовых технологий также поделился физик-теоретик, сотрудник Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики (ИТМО) Антон Козубов:
Коммерциализация квантовых технологий в России
Она берет свое начало с 2017 года. Тогда РКЦ при поддержке Газпромбанка, ВЭБ, Сбербанка разработал квантовый блокчейн. В нем цифровые подписи заменили протоколами попарной аутентификации на основе квантовой криптографии. А конструкция «блоков» децентрализована по всей сети.
В то же время, некоторые эксперты приводят в пример разработки компании СКОНТЕЛ еще в 2004 году. Например, двухканальную систему регистрации оптических фотонов и приёмную систему терагерцевого излучения.
Завкафедрой квантовой оптики и телекоммуникаций МИЭМ НИУ ВШЭ, профессор Григорий Гольцман считает, что работы над квантовыми технологиями в России начались еще 17 лет назад.
«Важно не только пофантазировать о будущем, но и спуститься на землю и поговорить о том, как в небольшой группе российского университета МИЭМ делают свою квантовую технологию с 2001 года».
Тогда ученые создали сверхпроводящий однофотонный детектор SSPD. Новое развитие технологии, по словам Гольцмана, началось с установки SSPD на оптический волновод. И получения квантовых оптических интегральных микросхем. Применение оптического волновода увеличило эффективность регистрации фотонов до 91% от общего количества.
«Это может стать одним из шагов для создания оптических компьютеров», — сказал он.
Развитие квантовых технологий в России
Руководитель проекта Фонда перспективных исследований (ФПИ) Алексей Заблоцкий представил дорожную карту развития технологий квантовой обработки информации в Российской Федерации. Горизонт планирования установлен на 2030 год.
Карта выделяет четыре основных направления работы:
1. Квантовые вычисления и квантовое моделирование.
2. Квантовые коммуникации и квантовая криптография.
3. Квантовые стандарты частоты.
4. Квантовые датчики.
В рамках программы «Цифровая экономика РФ», которая предусматривает развитие квантовых технологий при финансировании РОСАТОМа, ФПИ и Минобрнауки РФ, был запущен пилотный проект по развитию технологий сверхпроводниковых кубитов.
Квантовые коммуникации: технологии
В этой области ученым удалось достичь гораздо больших успехов, чем в изобретении универсального квантового компьютера.
Львовский рассказал, что уже сегодня мы имеем три варианта реализации квантовой коммуникации.
1. По оптоволоконному кабелю — серверы связаны по уже существующим каналам коммуникации.
2. По открытому пространству — по оборудованию и сетям сотовых операторов.
3. Через спутниковую связь — обмен квантовым ключом шифрования с наземной станцией и орбитальным спутником.
Несомненным лидером по развитию квантовых коммуникаций является Китай. В стране работает сеть Пекин-Шанхай протяжённостью 2000 км с 32 узлами. А благодаря квантовой спутниковой станции была установлена сеть Пекин-Вена.
Системами квантовой коммуникации в России поделился Антон Козубов. В Университете ИТМО создали защищённый оптический маршрутизатор SCWQC моделированного излучения с квантовой рассылкой ключа на боковых частотах. Его внедрили в Санкт-Петербурге (квантовая сеть Университета ИТМО), Казани (коллаборация с телеком-оператором) и Самаре (коллаборация с ИТ-инфраструктурой).
Российская квантовая сеть
Помимо локальных квантовых сетей в России идет работа по созданию национальной квантовой сети. Так, коммерческий директор АО «СМАРТС» Игорь Наливайко рассказал о двух проектах компании, которые лягут в основу глобального построения национальной квантовой сети, составной части «Евразийского квантового пути».
• Проект «Создание автодорожных телекоммуникационных сетей». Он предусматривает прокладку магистральных ВОЛС в обочину автомобильных дорог протяженностью приблизительно 150 тыс. км на территории 85 субъектов РФ.
• Проект «Создание системы управления географически распределенными центрами обработки данных». Он обеспечит контроль доступа к информационным каналам, что повысит уровень информационной безопасности и решит задачи импортозамещения.
Чтобы не остаться на обочине прогресса, Россия создает Центр квантовых коммуникаций в рамках Национальной технологической инициативы (НТИ). Здесь будут сосредоточены все силы и ресурсы ведущих исследовательских центров и коммерческих компаний.
«Фактически все цифровые приборы, окружающие нас сегодня, — компьютеры, телефоны, лазеры и прочие гаджеты, — были продуктом первой квантовой революции, случившейся в середине столетия. Увы, сегодня в полупроводниковой индустрии мы сильно отстаем от мировых лидеров. Мы должны ухватиться за вторую квантовую революцию, которая уже началась», — говорит генеральный директор Российского квантового центра Руслан Юнусов.
«Центр квантовых коммуникаций будет не только решать важные научные задачи глобального уровня. Но и предоставит новые возможности для наших студентов и аспирантов. Их привлекут к работе в каждой лаборатории центра. Что поможет им войти подготовленными в завтрашний день», — подчеркивает ректор НИТУ МИСиС Алевтина Черникова.
«Условия в РФ будут способствовать возвращению отечественных ученых, которые уехали работать в зарубежные научные центры. Также мы сможем удержать в стране новых специалистов», — отметил зампред правления Газпромбанка Дмитрий Зауэрс.
В заключение, Александр Львовский сказал:
«Изменения в нашей жизни, к которым приведут квантовые коммуникации и технологии, сравнимы по масштабу революционности с теми, которые полупроводниковая электроника вызвала во второй половине XX века».
Квантовые коммуникации: от НИР до технологического бизнеса
Проблема, связанная с защитой персональной информации, передаваемой по публичным телекоммуникационным каналам, на сегодняшний день представляет большой интерес. Возможности высокоскоростных компьютеров и квантовых компьютеров, интенсивно развивающихся последнее время, значительно упростили процесс расшифровки информации. К примеру, с взломом 1024-битного шифрования RSA процессор Pentium 4 управился чуть более чем за 104 часа.
Вне зависимости от конкретной реализации, безопасность информации сегодня обеспечивается за счёт превышения среднего времени расшифровки над временем актуальности данных. Данная проблема может быть решена с помощью «абсолютно стойкого шифра», разработанного К. Шенноном. Однако в этом случае перед пользователем встанет задача обмениваться уникальными ключами перед каждым сеансом связи, что увеличивает риск их перехвата и последующей компрометации данных.
А теперь представьте себе такую линию связи, которую невозможно прослушать никакими способами, поскольку это противоречит законам физики. Что бы ни пытался предпринять злоумышленник, у него не получится перехватить передаваемую информацию. Такие устройства для передачи данных, использующие принципы квантовой криптографии, создаются в ООО «Квантовые коммуникации» – малом инновационном предприятии при Университете ИТМО.
Мы достигли значительных успехов в разработке системы квантовой связи для оптических волокон – она обладает параметрами близкими и даже превосходящими рекордные результаты, полученные в лабораторных системах. Если же сравнивать с системами квантовой связи, представленными на рынке, то мы научились передавать квантовые сигналы и, как следствие, реализовывать защищенную передачу данных на скоростях, в 10 раз превышающих лучшие мировые аналоги. Что касается дальности, то мы можем передать сигнал в 3 раза дальше.
Предыстория проекта
Проект начинался как НИР, которая проводилась в университете и носила сугубо фундаментальный характер. В ходе работы было предложено генерировать носители информации – одиночные фотоны – не источником излучения, а в результате фазовой модуляции классических импульсов. Затем была поставлена задача выяснить: можно ли передавать квантовые сигналы на дальние расстояния по оптическому кабелю подобным образом, возможно ли это физически?
В ходе испытаний было установлено, что такие режимы реализуются и действительно позволяют достичь описанных выше преимуществ в скорости и дальности. После проведения серии лабораторных исследований был создан макет, который был отправлен на выставку в Ленэкспо и опробован потенциальной аудиторией. Сейчас уже разработан экспериментальный образец и создан первый макет участка квантовой сети, основанной на применении поднесущих (боковых) частот, соединяющий корпуса университета. Это – первый в России опытный участок «гражданской» квантовой сети.
Системы квантовой криптографии, основанные на применении поднесущих частот
В системах рассылки квантового ключа в качестве носителей информационного сигнала используются одиночные фотоны, которые в большинстве случаев генерируются путём предельного ослабления лазерного излучения. Альтернативный подход предлагается в системах квантовой криптографии, основанных на применении боковых (поднесущих) частотв результате фазово-частотной модуляции квантовые сигналы выносятся на соседние частотные компоненты (рисунок 1).
При этом спектральный интервал между несущей и боковыми частотами определяется параметрами модулирующего сигнала и составляет порядка 10-20 пм. Системы на боковых частотах характеризуются более высокой скоростью генерации ключей и низкой вероятностью возникновения ошибок. Однако их главным преимуществом является возможность генерировать сразу несколько боковых частот в окрестности одной центральной, что позволяет размещать до 10 независимых квантовых каналов внутри одного окна мультиплексора.
В комбинации с WDM эта технология позволяет увеличить спектральную эффективность систем квантовой криптографии в оптических сетях с сегодняшних 4% до 40% и более, реализовав квантовые сети со скоростью передачи данных порядка 400 Мбит/с. Все это делает технологию экономически эффективной – сейчас скорость лучших в мире квантовых систем всего 1-2 Мбит/с (50 км), в то время как пропускная способность канала в сети Ethernet – порядка 1 Гбит/с.
Рис. 1. Спектр оптического сигнала после модуляции в блоке отправителя (а) и получателя в случае конструктивной (b) и деструктивной (с) интерференции
Ниже (рис. 2) приведена упрощённая схема нашей системы. Полупроводниковый лазер генерирует излучение с узким спектром на длине волны 1550 нм. После этого излучение поступает в фазовый модулятор FM1, управляемый электронным блоком управления (electronic control unit). В результате фазовой модуляции в излучении появляются две боковые частоты, отличающиеся от несущей на величину модулирующего радиосигнала 4,4 ГГц.
Мощность боковых частот контролируется путем изменения амплитуды модулирующего сигнала. Модулированный сигнал поступает на аттенюатор AT, на выходе которого мощность сигнала на боковых частотах соответствует среднему числу фотонов на импульс (порядка единицы). Каждый бит передаваемого сигнала кодируется с помощью фазового сдвига ΦА, добавляемого в модулирующий сигнал. Фазовый сдвиг контролируется электронным блоком управления и на каждый бит выбирается случайно из четырёх величин: 0; π/2; π и 3π/2.
Рисунок 2 – Принципиальная схема системы квантовой криптографии, основанной на применении поднесущих частот
Электронные блоки управления в передающем и принимающем модулях синхронизируются с помощью сигнала специальной формы: синусоиды с частотой 10 МГц и стробирующего импульса длительностью 10 нс. Стартовый строб-сигнал инициирует генерацию ключа, а последующие – синхронизируют запись квантовых отсчетов в буферную память передающего и принимающего модулей. Модуляционные генераторы передающего и принимающего модулей синхронизирует синусоидальный сигнал. Синхросигналы передаются по отдельному оптическому волокну.
Ссылка на изображение
Рисунок 3 – Спектр и осцилограмма (а) ослабляющей и (б) усиливающей интерференции
Криптографический ключ генерируется по протоколу BB84 с сильным опорным импульсом. Квантовый сигнал в принимающем модуле возникает в момент прохождения лазером поляризационного контроллера, фазового модулятора FM2 и спектрального фильтра SF, подключенных последовательно.
Спектральный фильтр выделяет сигнал боковых частот, который отслеживается с помощью детектора (счетчика) фотонов DOF. На этом этапе сигнал подвергается повторной фазовой модуляции. Фазовый модулятор FM2 управляется электронным блоком управления, а битовая последовательность кодируется точно так же как в передающем модуле.
Частота смены фазы равна 100 МГц. Фазовый модулятор вносит в модулирующий сигнал сдвиг фазы ΦB; каждый битовый сдвиг выбирается случайным образом из четырех возможных величин. Результирующая мощность поднесущей волны зависит от фазовых сдвигов ΦA и ΦB. Если ΦA = ΦB, то возникает усиливающая интерференция (рис. 3б), и мощность оптического сигнала оказывается отличной от нуля. Если ΦA – ΦB = π, то проявляется ослабляющая интерференция (рис. 3а), а мощность оптического сигнала оказывается сопоставимой с шумом темнового тока детектора фотонов. Состояния с разностью фаз π/2 отбрасываются.
Обмен информацией, необходимой для обработки результатов измерения, выполняется по открытому каналу. При этом «сырой» ключ генерируется одновременно в передающем и принимающем модулях. После этого для «сырого» ключа вычисляется коэффициент ошибок (QBER), по которому легитимные пользователи могут определить, была ли предпринята попытка прослушки. Если прослушки не было, то ошибки корректируются, а в передающем и принимающем модулях генерируется секретный криптографический ключ.
Лабораторная установка
Мы провели серию экспериментов в лабораторных условиях (рис. 4). Были измерены такие параметры системы, как скорость генерации ключа и частота квантовых ошибок (QBER) на расстояниях до 250 км в оптическом волокне corning SMF-28 ULL.
В качестве приёмника излучения применялась другая уникальная российская разработка в области фотоники: сверхпроводниковый детектор одиночных фотонов на основе ультратонкой пленки (SNSPD). Этот прибор был разработан и создан в Москве компанией SCONTEL.
Рисунок 4 – Экспериментальная установка со сверхпроводниковым однофотонным детектором на основе ультратонкой пленки (SNSPD)
Величина QBER определяется как отношение количества ошибочных битов к общему числу полученных битов:
где Rsift (длина «просеянного» ключа) равняется количеству совпадений базисов Алисы и Боба (приемника и передатчика), что в свою очередь равняется половине длины «сырого» ключа:
где frep – частота повторения импульсов, μ – среднее число фотонов за импульс, tlink – коэффициент передачи, то есть вероятность фотона достичь детектора Боба, η – вероятность обнаружения фотона, то есть квантовая эффективность детектора. Фактор q 98,9%) в однонаправленном канале за счёт точного контроля относительных фазовых сдвигов и свойств детектора SNSPD (низкий уровень темновых отсчётов и высокие быстродействие). Для максимального расстояния, на котором проводился эксперимент, скорость рассылки «просеянного» ключа составила 28 бит/с, при QBER равном 9,3%, что по-прежнему допускает безопасную генерацию ключей.
Реализация системы позволяет создавать сети нового типа, которые дают новое качество идеально безопасного мира: их можно встроить в интернет вещей, сетевые концепции. Это – платформа, которую можно использовать для разработки комплексных систем безопасности и связи, а также как основу безопасной передачи данных для других решений. Например, для защиты управляющих сигналов беспилотных самолетов.
Если подойти к вопросу с пользовательской стороны, то систему можно применять в программном обеспечении, реализующем режимы обмена данными между клиентами. Идеология сравнима с ОС Android или iOS – у пользователя есть платформа, и с её помощью он решает свои конкретные задачи. Они необязательно должны быть связаны с космическими и военными технологиями – система подходит для решения вопросов, максимально приближенных к пользователю. Об этих вопросах и других темах, связанных с перспективами использования квантовых сетей, мы будем рассказывать в наших следующих материалах.
Квантовые коммуникации: что это и зачем они РЖД?
Как сообщает официальный сайт главы государства, были подписаны о намерениях между правительством и ПАО «Сбербанк» (направление «Искусственный интеллект»), ОАО «РЖД» (направление «Квантовые коммуникации»), госкорпорацией по атомной энергии «Росатом» (направления «Квантовые вычисления» и «Технологии создания новых материалов и веществ»), госкорпорацией «Ростех» (направления «Квантовые сенсоры», «Технологии распределенного реестра», «Новые поколения узкополосной беспроводной связи для интернета вещей и связи ближнего и среднего радиусов действия»), а также трехстороннее соглашение с госкорпорацией «Ростех» и ПАО «Ростелеком» по направлению «Беспроводная связь нового поколения».
Что касается РЖД, соглашение о намерениях в целях развития в РФ высокотехнологичной области квантовых коммуникаций подписали заместитель председателя правительства РФ Максим Акимов и генеральный директор – председатель правления ОАО «РЖД» Олег Белозеров.
О чем именно это соглашение?
В самой компании отмечают, что предметом соглашения является объединение и координация совместных действий правительства и ОАО «РЖД» для ускорения технологического развития и достижения РФ позиции одного из лидеров на глобальных технологических рынках в области квантовых коммуникаций.
В частности, сообщается, что будет разработана дорожная карта развития технологической области квантовых коммуникаций. Она предусматривает формирование научно-технологической и производственной инфраструктуры, продвижение продукции мирового уровня, в том числе на базе соответствующих отечественных технологий, и подготовку квалифицированных кадров.
Что такое квантовые коммуникации и как они смогут быть применены непосредственно на объектах РЖД и в работе компании, в монополии не комментируют. Для справки: базовая IT-инфраструктура компании включает свыше 70 тыс. км магистральных волоконно-оптических линий связи.
Что такое квантовые коммуникации?
Профессор, заведующий базовой кафедрой квантовой оптики и телекоммуникаций ООО «Сконтел» Московского института электроники и математики в НИУ ВШЭ, заведующий кафедрой физики в Московском государственном педагогическом университете Григорий Гольцман отмечает: до сих пор железная дорога не была включена в эти технологии.
Он объясняет: квантовые коммуникации относятся к безопасной передаче сообщений и информации на большие расстояния.
«В процессе передачи информации, если она не закодирована достаточно глубоко, ее могут скрытно перехватить. Важный момент: посылающие и принимающие информацию должны сразу же узнать о том, что произошел перехват, тогда это неопасно. Передача зашифрованной информации – это очень старая проблема. Но квантовая защита передаваемой информации – относительно новая технология, которая развивается сейчас очень интенсивно», – говорит он.
Шифрование информации происходит с помощью секретного шифровального ключа. Если его кто-то украдет, можно будет передавать ложные сообщения.
Ключ обычно основан на математике. То есть для того, чтобы его расшифровать, необходимо произвести большое количество операций. Сейчас скорость расшифровки ключа становится все быстрее и быстрее. Информация передается большими объемами в битах. Если это квантовые технологии, то тогда это квантовый бит – кубит. Такой кубит может быть в фотонах – частицах света.
По квантовым законам, любая квантовая частица может находиться в каком-то состоянии, но если пытаться обнаружить, измерить и попытаться узнать это состояние, это неминуемо состояние изменится. И тот, кто принимает информацию, сразу узнает о том, что информацию пытались хакнуть.
Шифровальный ключ может передаваться в состоянии квантовых частиц. Эта передача в фотонах происходит со скоростью света. Соответственно, если хакер что-то пытается сделать с этой информацией, получатель узнает об этом со скоростью света.
Передача квантового ключа обычно осуществляется через оптическое волокно, которое уже проложено в большом количестве мест.
«Другой способ передачи ключа – при помощи спутника, когда из одной точки на земле на спутник идет оптический ключ, отражается от зеркала на спутнике и попадает в другую точку на земле. Другими словами, квантовый ключ передается на большое расстояние. Такая система реализована пока только в Китае. Эти шифровальные ключи, к примеру, используются для того, чтобы из одного банка в другой, расположенный далеко от первого, передать секретную информацию о финансах», – комментирует Г. Гольцман.
В разговоре о железной дороге профессор говорит о железнодорожном составе, который в этом смысле аналогичен спутнику. Состав движется, проходит мимо станции с большой скоростью, не останавливается. За это время получает квантовый ключ или много ключей – и на станции, и по дороге. Передать информацию лучом света другому потребителю. Такую технологию пока никто не сделал, но это представляется возможным, говорит он.
На вопрос, насколько эти технологии затратны, Г. Гольцман обращает внимание на то, что сейчас все находится в стадии разработки учеными-инженерами, поэтому и затраты идут только на разработки.
– Григорий Наумович, другими словами, с применением этих квантовых коммуникаций должна повыситься безопасность передачи информации на железной дороге?
– Да. Параллельно с развитием квантовых коммуникаций и передачей квантового ключа происходит разработка квантовых компьютеров. Тогда они будут гораздо более эффективны в расшифровке зашифрованных посланий. Это будет соревнование – между теми, кто шифрует, и теми, кто пытается скрытно получить ключи и что-то украсть.
– В планах РЖД – разработка дорожной карты развития технологической области квантовых коммуникаций. По Вашему мнению, насколько этот документ необходим?
– Я прочел за последние 15 лет несколько десятков дорожных карт в этом направлении. Но не вижу, чтобы это влияло на развитие технологий. Мне кажется, что деньги не очень следуют за дорожной картой.
– В целом как давно развиваются квантовые коммуникации?
– Бурный рост происходит последнее время. Но сама идея, наверно, появилась лет 40 назад. Но, как известно, идеи принимаются в реализацию не сразу. Поэтому первая система передачи квантового ключа была создана в США, в районе Бостона. Наша компания «Сконтел» там тоже участвовала в виде детекторов – элементной базы таких технологий. Потом такие системы были созданы в Европе, в Японии, в Китае.
А в Америке это было в 2003–2004 гг.
– Насколько Россия отстает в этой области?
– В России есть отдельные направления, которые не отстают, а опережают коллег. Почему мы принимали участие в том проекте в Америке? Компания «Сконтел», которую я основал, производит лучшие счетчики фотонов в мире. У нас их покупают на глобальном рынке. В этом отношении мы впереди. Но одной компанией не справиться. Если говорить о системах, здесь Россия отстает лет на 15.