Ученые Запустили Первую В России Квантовую Сеть С Открытой Архитектурой

Перед студентами и преподавателями выступят ученые из ведущих университетов мира, специализирующихся на квантовой физике. Лекции приурочены к Международной конференции «Физика связанных состояний совет-вещество в наноструктурах», которая проходит со 2 по 6 июля в Москве и Суздале. Главный университет Владимирской области — один из организаторов научной конференции наряду с Российским квантовым центром (РКЦ) и Научно-исследовательским технологическим институтом «МИСиС». В любой среде, например в стекле или в воде, свет распространяется медленнее, чем в вакууме.

Одной из альтернатив современной электронике некоторые считают квантовые вычислительные устройства, способные обеспечить резкий рост вычислительной мощности при решении некоторых типов задач. Например, в Microsoft начали тестировать сервис с облачным доступом к квантовым вычислениям Azure Quantum. В 2017 году сотрудники физического факультета МГУ создали и протестировали квантовый телефон, позволивший соединить рабочие станции где применяются квантовые технологии и зашифровать трафик между ними с использованием квантового распределения ключей. 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. Квантовые компьютеры планируют использовать для создания новых лекарств, изучения свойств материалов, решения логистических задач (например, избавить город от пробок).

• Порой также изучают какие-то предельные характеристики, например, максимальное расстояние для генерации ключей.
• Квантовая криптография основана на том, что законы квантовой механики не позволяют скопировать состояния частиц света, передающих информацию между подключенными к квантовой сети компьютерами и другими коммуникационными устройствами.
• Злоумышленник всё равно не сможет их расшифровать, не обладая достаточно высокими вычислительными мощностями.
• Крупные технологические компании, такие как IBM, Google и Microsoft ведут гонку за «квантовое превосходство», при котором квантовому компьютеру удается решать проблему, которую не способен решить ни один классический компьютер в приемлемые сроки.
• Чтобы гости поближе познакомились с законами физики, которые применяются для шифрования, перед ними выступил иллюзионист и наглядно продемонстрировал чудеса квантового мира.

Поэтому большинство крупных IT-компаний ищет варианты, позволяющие продолжить рост вычислительных мощностей. В качестве перспективных идей рассматривается создание оптических компьютеров (информация кодируется и обрабатывается в световых импульсах) и спинтронных компьютеров (данные кодируются не в колебаниях электрического тока, а в спинах электронов). Гото Эйичи и его команда повысить энергетический барьер между двумя состояниями битов, чтобы их гарантированно можно было различить. Иначе говоря, японские ученые хотели, чтобы устройство ни в коем случае не оказывалось в бистабильном состоянии, то есть в состоянии квантовой суперпозиции. На рисунке ниже приведен пример использования задачи по факторизации целых чисел для защиты потенциально закрытой информации. Крупные технологические компании, такие как IBM, Google и Microsoft ведут гонку за «квантовое превосходство», при котором квантовому компьютеру удается решать проблему, которую не способен решить ни один классический компьютер в приемлемые сроки.

Квантовая Сеть И Сервис Квантовой Защиты: Криптосистемы Компаний Id Quantique, Magiq, Smart Quantum И Проект «ростелекома»

В целом эта сеть — пример экономически оправданного проекта в сфере квантовых коммуникаций с большим количеством данных, которые циркулируют между Москвой и Санкт-Петербургом. Сеть поможет в том числе защищать каналы связи, по которым будут управляться беспилотные «Сапсаны» https://xcritical.com/ и «Ласточки». Стоит отметить, что эти две технологии могут быть очень удачным образом скомбинированы. Так, высоконагруженные магистральные каналы передачи данных между, например, дата-центрами крупных компаний могут быть защищены с помощью квантовой криптографии.

Потенциал квантовой связи – обещание обеспечить «сверхзащищенную» передачу данных, возможно, совсем не поддающуюся взлому. В настоящий момент наш обмен данными ведется с помощью электросигналов – 1 и 0, – потоки которых идут по оптоволоконным кабелям. Хакер, которому удается проникнуть в эти кабели, может прочитать и скопировать эти данные, проходящие по кабелю. А при квантовой связи передаваемая информация зашифрована в квантовой частице, где единицы и нули накладываются друг на друга, образуя «квантовый бит» (кубит). «Однако квантовые системы, в которых мы используем для вычисления атомы, ионы, частицы света, фотоны, позволяют нам кодировать информацию в гораздо большем количестве состояний. В этом состоит идея кудитов — многоуровневых квантовых систем, в которых 3-4 уровня и так далее.

Квантовые Вычисления

Пока что самые масштабные квантовые сети построил Китай, однако и другие лидирующие в «квантовой гонке» страны, в частности Россия, запускают собственные пилотные проекты в этой области и получают вдохновляющие результаты. Однако первый в мире квантовый компьютер мог появиться намного раньше, еще до статей Манина и Фейнмана, в 1950-е годы. Факторизация целых чисел, способствующая расшифровке наиболее широко используемых протоколов кибербезопасности (например, RSA, алгоритм асимметричного шифрования, используемый для защищенной передачи данных). Может показаться, что квантовые технологии – далекое будущее, однако первые квантовые датчики уже есть на рынке (например, атомные часы и гравиметры). С учетом того, что могут означать квантовые технологии для обороны и безопасности, НАТО считает квантовые технологии одними из важнейших новых и прорывных технологий.

Мощность нынешних компьютеров – около 60 кубитов, но разработки быстро сменяют друг друга, и планка высока. В сентябре прошлого года компания IBM представила дорожную карту разработки квантовых компьютеров, в частности она объявила, что поставила перед собой цель построить к 2023 году квантовый компьютер мощностью 1000 кубитов (источник). У компании Google свой план по созданию к 2029 году квантового компьютера мощностью миллион кубитов (источник). Поскольку с квантовыми технологиями появятся новые большие возможности как в гражданской, так и в военной сфере, в последние годы промышленность и государственный сектор проявляют к ним значительный интерес.

Краткое Описание Технологии

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. Мы планируем параллельно работать над созданием софта для квантового компьютера, чтобы, когда его мощность достигнет достаточного размера, софт под запросы бизнеса к нему был уже готов. Обзор современных разработок и компаний, которые создают квантовые компьютеры, линии связи, сервисы квантовой защиты, квантовые спутники и телефоны. Если просто – очень мощный компьютер, информация в котором хранится не в битах (нулях и единицах), а в квантовых битах, кубитах.

Сегодня считается, что размерности ключа от 128 бит считаются надежными, однако для информации, содержащей государственную тайну, требуются ключи 192 и 256 бит, как в американском шифре AES или российском «Кузнечике». Это связано с тем фактом, что у злоумышленников не хватит вычислительных мощностей для перебора всех вариантов для взлома информации. С развитием технологий это кажется сомнительным и не даёт 100 % гарантии, что эта информация сохранится в тайне и будет надежно защищена . С кодированием в 425 бит считался абсолютно надежным, и для его расшифрования, по мнению авторов, понадобилось бы 40 квадриллионов лет. Но спустя 15 лет, в 1993 г., был запущен проект распределённых вычислений, который координировался через электронную почту, связанный с нахождением сомножителей числа RSA–129. Чтобы решить эту головоломную задачу, почти 600 волонтёров из двадцати стран всего земного шара более чем полгода отдавали своё машинное время 1600 компьютеров, но расшифровали сообщение, за которое авторы 15 лет назад объявили награду в 100$ .

Моментальное Решение Задач И Почти Абсолютная Защита Данных: Как Применяют Квантовые Технологии И В Чём Их Недостатки

Директор Ставропольского филиала ПАО «Ростелеком» Роман Завязкин рассказал участникам о преимуществах квантовых технологий. Прозвучало, что благодаря этим коммуникациям при передачи данных невозможно будет украсть информацию. Блокчейн уязвим против квантового компьютера в частности, если используются электронные подписи и механизмы консенсуса, которые неустойчивы к атакам с квантовым компьютером. Однако возможно создать блокчейны, которые устойчивы к таким атакам — квантово-защищенные (квантовые) блокчейны. Квантовый блокчейн использует либо квантовую, либо постквантовую криптографию (или комбинирует их) и позволяет сделать подписи и консенсус более устойчивыми по отношению к квантовому компьютеру. Квантовая оптика и квантовые технологии – это область физики, в которой необычные явления квантовой механики люди пытаются использовать для того, чтобы создать какие-то полезные устройства.

Особенность отечественной разработки в том, что в системе сочетается два подхода по увеличению мощности квантового компьютера. Во втором — вместо вспомогательных кубитов используются дополнительные уровни кудитов для выполнения промежуточных вычислений. Возможный “шпион”, который подслушивает передачу данных по этой линии связи может перехватить одиночный фотон, измерить его поляризацию и попытаться переслать копию фотона Бобу. Но это приведет к росту числа ошибок в распределяемом квантовом ключе. В результате и Алиса, и Боб поймут, что их канал прослушивает посторонний.

Однако даже если кому-то из них удастся вычислить это направление, то оно тут же изменится и полученная информация будет неверной. 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.

Кроме того, в 2017 году китайские учёные открыли первую в мире квантовую оптоволоконную линию связи протяжённостью свыше 2 тыс. На сегодняшний день каналы используются исключительно для обмена ключами шифрования, поскольку способны передавать лишь очень малые объёмы информации. Кроме того, у РЖД имеются собственные исследовательские институты, работающие в области информационных технологий, ведётся активная работа с фондами развития, в том числе со «Сколково», Фондом содействия инновациям, Российской венчурной компанией. Проводятся собственные и совместные инновационные разработки в направлении беспилотного движения, систем контроля и мониторинга с применением искусственного интеллекта, спутниковых геоинформационных технологий и так далее. Также есть потенциальный интерес и к квантовым вычислениям – по причине наличия большого количества задач по оптимизации трафика. С точки зрения внедрения и использования технологий квантовых коммуникаций ОАО «РЖД» – это, помимо непосредственно оптоволоконных линий связи, огромная информационная инфраструктура.

Значение Для Обороны И Безопасности

После проведения всех измерений Ева сможет отправлять Бобу «псевдофотоны в уже измеренных состояниях» . Известен квантовый протокол на перепутанных квантовых состояниях (на эффекте запутывания) А. Экерта EPR (в честь А. Эйнштейна, Б. Подольского и Н. Розена) E91. Вторая категория протоколов базируется на перепутанных квантовых состояниях. При этом контролируется, выполняется ли неравенство Белла и другие основные квантовые соотношения. Как пишет ТАСС со ссылкой на пресс-службу НИТУ «МИСиС», проект открыт как для разработчиков ПО в области цифровой безопасности, так и для организаций, желающих поэкспериментировать с внедрением квантово-защищенных решений на части своей ИТ-инфраструктуры.

Более того, предполагается, что гражданский сектор будет продвигать вперед разработки в сфере квантовой связи и вычислений, с учетом огромной потенциальной ценности, которую они представляют для гражданской промышленности. А что касается квантовой сенсорики, возможное практическое применение, например, определение местоположения, навигация и синхронизация, а также квантовая радиолокация представляют особый интерес для военных. Поэтому военным надо финансировать, поддерживать и направлять НИОКР в этой области, чтобы сделать это возможное практическое применение действительностью.

Прорывные Технологии

Разработанные методы можно использовать для построения квантовых сетей между городами в ближайшем будущем. «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. Законы микромира таковы, что если отправитель не знает заранее направления поляризации фотона, то и получатель определить его не сможет.

Конечная цель дорожной карты — обеспечение суверенитета страны в сфере квантовых технологий. Согласно прогнозам, через пять лет российские стартапы должны занять не менее 8% мирового рынка квантовых коммуникаций. Сегодня можно сказать, что квантовые криптографические протоколы не будут слишком сложными, т.к. Злоумышленник всё равно не сможет их расшифровать, не обладая достаточно высокими вычислительными мощностями. Современные классические суперкомпьютеры имеют вычислительные мощности, несопоставимые с квантовыми, не говоря уже о персональных гаджетах.

Технологический уровень российской квантовой криптографии сегодня сопоставим с общемировым, а некоторые решения по постобработке ключей выглядят лучше мировых аналогов. Квантовые коммуникации во всем мире стали частью национальных программ по квантовым технологиям. Мировым лидером специалисты считают Китай, но коммуникации активно развиваются и в Европейском союзе. Японская компания Toshiba содержит лабораторию в Кембридже, несколько проектов работают в Великобритании, в США (но последние все же больше фокусируются на квантовых вычислениях). Наиболее развитое направление в рамках технологии — квантовая криптография, или, более точно, квантовое распределение ключей. Это совокупность методов, направленных на выработку между удаленными пользователями общего секретного ключа, который в дальнейшем используется для шифрования.

Как Работают Средства Связи С Квантовой Защитой

Очевидно, что для дальнейшего развития рынка необходим активный диалог между разработчиками решений на основе квантовых технологий и заказчиками. Им удалось дать первое описание вычислительной процедуры, использующей квантовое преимущество, то есть квантовые эффекты запутанности и суперпозиции давали значительный прирост скорости расчета по сравнению с классическими алгоритмами. Однако ученые уже разработали ряд алгоритмов, подходящие для запуска на квантовых компьютерах и способные показать их существенное преимущество по сравнению с классическими вычислительными машинами. Для того чтобы описать механику работы квантового вычислительного устройства, можно использовать многомировую интерпретацию квантовой механики (известную также как интерпретация Эверетта). В 1985 году Дэвид Дойч из Оксфордского университета разработал теорию универсального квантового компьютера как квантовой машины Тьюринга. Наконец, Фейнман также впервые описал пример работы системы из кубитов, созданных из фотонов с определенной поляризацией.

Однако при рассмотрении этих ускорений, о чем не упоминается, заключается в том, что для получения этих ускорений мы должны иметь квантовую память, которая хранит квантовые данные и взаимодействует с квантовым процессором. Тогда и только тогда мы сможем достичь экспоненциального ускорения. Стандартом станет конкретный протокол, то есть конкретный способ того, какое квантовое состояние нужно взять, как его приготовить и измерить, что с ним сделать дальше.

Предполагается, что квантовые компьютеры будут использоваться для решения сложных задач корреляции — например, нахождения элементов в базах данных, шифровки и дешифровки данных. Квантовые компьютеры могут значительно ускорить перебор параметров и поиск нужных корреляций, что позволяет получить заданные свойства. Ученые и бизнесмены надеются на революцию в медицине, органической химии и материаловедении.