перспективы и сложности реализации / Хабр

По оценкам немецких исследователей из Общества Макса Планка, глобальную квантовую сеть удастся реализовать уже в ближайшие несколько лет. Расскажем, какие здесь есть сложности.

/ Flickr / Mike Seyfang / CC

Что такое квантовые сети

Квантовая сеть — это система передачи данных, работающая по законам квантовой механики. В таких сетях обмен данными осуществляется при помощи кубитов. Это поляризованные фотоны, транслируемые по каналу оптической связи. Для того чтобы развернуть глобальные квантовые сети, покрывающие всю планету, как интернет, разработчикам и исследователям предстоит решить ряд трудностей. Например, определённую сложность вызывает передача фотонов на большие расстояния из-за их «хрупкости». Подробнее об этой и других проблемах мы расскажем далее, но сперва поговорим о том, зачем вообще создавать квантовые сети.

Чем они могут быть полезны

Явление квантовой запутанности связывает квантовые частицы таким образом, что при измерении характеристик одной из них, мы автоматически узнаем характеристики второй. Причем связь эта сохраняется даже на больших расстояниях.

Если установить между двумя точками соединение, можно генерировать последовательности случайных чисел на двух его концах. В криптографии эта особенность используется для генерации ключей шифрования.

Еще одно достоинство квантовых сетей — невозможность прочитать транслируемые фотоны дважды. Законы квантовой механики запрещают «клонирование» состояния частиц света. При перехвате кубита, он меняет своё значение. Получается, что при попытке «подслушать» канал передачи данных, злоумышленники не смогут извлечь никакой ценной информации. На выходе они получают случайный набор цифр.

Таким образом, квантовые сети — это почти абсолютная криптографическая защита. Почти абсолютная, так как ученые из Швеции доказали, что «подслушать» такую сеть все же возможно. Для этого нужно сымитировать квантовый шифр. Детекторы фотонов игнорируют неполяризованные частицы света, называемые нулями. Если сымитировать эти нули в определенный момент времени и направить их на приемник, то он посчитает сигнал квантовым (хотя это не так).

Решить проблему можно, но придется менять принципы работы приемников. Один из вариантов — добавить индикатор мощности сигнала (так как при вмешательстве извне она будет изменяться). Но это приведет к увеличению стоимости развертки квантовых сетей.

Почему это сложно

«Хрупкость» кубитов, которая делает квантовую коммуникацию надежной, привносит и недостатки. Одиночные фотоны меняют свои состояния или просто поглощаются средой из-за помех. По этой причине бывает сложно передать квант по оптоволоконному кабелю на расстояние свыше 100 км.

/ Flickr / Alexandre Delbos / CC

Сейчас оптоволоконные квантовые сети строятся с использованием повторителей. Они декодируют информацию, кодируют её снова и передают другим узлам по цепочке. Однако таким образом посредники тоже узнают содержание сообщения, что может привести к утечке в случае компрометации одного из них. Здесь возникает проблема и со стоимостью — такие повторители используют дорогостоящие магниты и редкие минералы.

Важно учитывать и среду, в которой эти сети будут развертываться. Есть существенная разница между лабораторными и «боевыми» условиями. В городе на оптоволоконные кабели влияют перепады температур. Это может привести к сдвигам фаз фотона и вызывать ошибки при передаче данных.

Решить проблему с передачей на большие расстояния позволит квантовая телепортация. Исследователи могут по желанию вводить два кубита в состояние квантовой запутанности. Таким проектом занимается группа из Делфтского технического университета в Нидерландах. Исследователи строят десятикилометровую квантовую сеть между городом Делфт и Гаагой.

Такие технологии пока находятся на ранних этапах разработки. Дело в том, что поддерживать «связанность» продолжительное время затруднительно из-за разрушающего эффекта (называемого декогерентностью), которое оказывает на кванты внешняя среда. Удержать состояние квантовой запутанности удается на доли секунды.

Где можно будет использовать квантовые сети

Как мы уже говорили, квантовые сети обладают высокой стойкостью к прослушке. Поэтому они позволяют строить надежные системы распределения криптографических ключей. Такие технологии уже есть. Например, в начале года в Китае запустили систему распределения криптографических ключей, в которой данные передаются посредством спутников и лазерных лучей. Похожую систему предложили немецкие исследователи.

Также квантовые сети должны объединить в сети квантовые компьютеры. Ожидается, что кластеры квантовых машин ускорят проведение физических и химических симуляций, например, при разработке новых медицинских препаратов.

Есть юзкейсы и за пределами науки, например голосования. Такой проект был реализован в Швейцарии — несколько лет назад CERN помогли организовать квантовую сеть для проведения выборов. По словам экспертов из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, помимо надежности квантовые сети дают возможность реализовывать новые стратегические схемы голосования, недоступные сегодня. Например, люди получат возможность выбирать не одного кандидата, а сразу двух (второй вариант).

Развитием квантовых сетей занимаются многие институты и организации. Поэтому в последнее время появляется всё больше подобных проектов. Об иностранных и российских разработках в этой области, мы расскажем в наших следующих материалах на Хабре.

P.S. О чем еще мы пишем в корпоративном блоге VAS Experts:

• Внедрение IPv6 – FAQ для интернет-провайдеров
• Протокол IPv6 – от теории к практике

P.P.S. Несколько новых статей из нашего блога на Хабре:

• Анонсирован Wi-Fi 6: что нужно знать о новом стандарте
• Программируемые вентильные матрицы: чем они помогут сетям 5G

Квантовый технологический скачок — Ведомости.Технологии и инновации

Евгений Разумный / Ведомости

В Москве в декабре 2021 г. в опытном режиме запустили Университетскую квантовую сеть. Над ней работали специалисты Центра компетенций НТИ «Квантовые технологии» на базе МГУ, вендор «Инфотекс» и оператор связи «Юл-ком». Основой сети стала собственная разработка – квантовая криптографическая система выработки и распределения ключей ViPNet QSS (Quantum Security System). Она базируется на принципе квантовой физики о невозможности определить квантовое состояние фотонов без их изменения.

Система сама снабжает себя секретными ключами шифрования. Дальше формируются два случайных числа для собеседников, благодаря фотонам стороны меняются ими и получают общий ключ. И здесь протокол квантового распределения ключей позволяет обнаружить присутствие третьей стороны: для перехвата данных ей нужно измерить передаваемые по каналу связи квантовые состояния, а это ведет к их изменению, и связь прекращается.

Ключи обновляются раз в минуту автоматически. Это сводит риск утечки к минимуму, отмечает научный руководитель Центра компетенций НТИ «Квантовые технологии» на базе МГУ Сергей Кулик, будет сложно подобрать ключи даже с помощью квантового компьютера.

Топология сети «звезда» позволяет подключать несколько абонентских терминалов к одному квантовому серверу. В университетскую сеть входит несколько квантовых устройств, которые распределяют ключи шифрования на 20 терминалов: в МГУ на Воробьевых горах и на Моховой улице, в офисе «Инфотекса» в Отрадном. Для пользователей сеть выглядит как IP-телефон с видеосвязью. Но можно отправлять и текстовые сообщения – кодируется любая информация.

К сети планируется подключить вузы и организации из Москвы, центр ведет переговоры об опытной эксплуатации. О продажах говорить рано – разработчики ждут завершения сертификации оборудования.

Для бизнеса, от человека

В границах 10 лет основными пользователями квантовых сетей будут крупные частные компании и компании с госучастием – преимущественно их топ-менеджеры, для которых важна конфиденциальность. Главной причиной для использования квантовой сети остается человеческий фактор, считает Кулик.

«В квантовых сетях, которые есть в России, распределение ключей не предполагает наличия системного администратора. Не секрет, что многие утечки в мире происходят по их вине», – говорит он.

Что касается угрозы квантового компьютера, то считается, что он разрушит систему асимметричной криптографии. Она основана на криптографических ключах, а их стойкость зависит от переборных алгоритмов. «Их сможет «раскалывать» квантовый компьютер. Но в ближайшие 7–10 лет не стоит ожидать их массового появления. А существующие компьютеры от Google и IBM решают крайне ограниченные задачи», – говорит Кулик.

Полное покрытие

Такие проекты, как Университетская квантовая сеть, помогут в строительстве национальной квантовой сети. «РЖД строит квантовые линии от Петербурга до Москвы, далее от Москвы через Нижний Новгород в Казань, южная линия пойдет в Сочи из столицы. К узлам магистральных линий будут подключаться локальные квантовые сети. Это важно – расширяются возможности по связи разных городов», – поясняет Кулик.

В проект могут быть вовлечены ИТМО и Центр компетенций НТИ «Квантовые коммуникации» на базе МИСиСа, который запустил межвузовскую квантовую сеть. «Сейчас идет обсуждение нюансов, как подключить через линию Санкт-Петербург – Москва сети МГУ и ИТМО, – рассказывает Кулик. – Надеюсь, решим вопрос в этом году».

Расстояния, на которые передается квантово защищенная информация, в перспективе составят тысячи километров. В локальных сетях защита гарантируется только до 100 км. Для больших расстояний нужны доверенные узлы, которые используют на магистрали Санкт-Петербург – Москва. Между ними распределяются квантовые ключи, которые синхронизируются в этих точках.

Не отстаем

Кулик отмечает, что по квантовым сетям Россия не отстает от других стран, а местами и опережает их. И все же лидером является Китай.

«В Китае запустили линию Пекин – Шанхай длиной 2000 км, второй спутник космической квантовой связи. Планируется создание глобальной защищенной сети с оптоволоконными сегментами на земле и с космическими. У нас это развивается, серийно выпускается оборудование от «Инфотекса» и других вендоров. Идеологически и технически мы идем ноздря в ноздрю с Китаем».

Американские ученые в июне приступили к тестам Чикагской квантовой сети длиной почти 200 км – одной из самых длинных в стране. На днях исследователи из Южной Кореи провели демонстрацию сети с квантовым распределением ключей. А в апреле запустили испытания квантовой сети в Лондоне.

«Квантовым сетям не хватает опыта интеграции как со стороны заказчиков, так и со стороны производителей, – считает директор Центра компетенций НТИ «Квантовые коммуникации» на базе МИСиСа Юрий Курочкин. – На примере программ Китая, Японии, Кореи, ЕС видно, что на этапе доработки оборудования под нужды индустрии необходимо строить тестовые сети-полигоны и подключать к ним максимальное количество абонентов для отработки бизнес-решений. Господдержка таких полигонов помогает разорвать замкнутый круг. Сети и сервисы не развиваются, потому что нет потребителей, а их нет, так как неразвиты сети и сервисы».

Квантовые сети – основа цифрового суверенитета государств в ближайшие десятилетия, утверждает Курочкин: «Когда потребность в квантовых сетях подтвердится реализацией угрозы квантового взлома, организации и страны мгновенно разделятся на тех, кто успел внедрить защиту, и тех, кто безнадежно отстал».

Что такое квантовая сеть?

Четыре года, четыре месяца и двенадцать дней назад фотон — частица света — покинул Проксиму Центавра, ближайшую к нам звезду. Только что он наконец прибыл на Землю.

Этот фотон и другие, которые пришли с ним, могут раскрыть невероятные тайны о планетах, вращающихся вокруг красного карлика, например, о том, пригодны ли они для жизни или даже обитаемы. Однако с текущими инструментами мы не можем получить эту информацию.

Это может однажды измениться с технологией, называемой квантовыми сетями.

Квантовые сети похожи на классические сети, которые мы используем в повседневной жизни для передачи и обмена цифровой информацией. Однако квантовые сети используют квантовые биты или кубиты, которые кодируют информацию таким образом, который совершенно чужд классическому мышлению. Кубиты используют приемы из странного мира квантовой механики и принципиально отличаются от классических вычислительных битов. И когда они используются в квантовых сетях, они радикально более эффективны.

«Ключевой задачей для квантовых сетей является возможность взаимодействия между множеством различных типов квантовых систем и тем, что вы выберете в качестве сети».

Квантовые сети не существуют, и многие ученые в этой области скажут вам, что до них еще далеко. Но когда они прибудут, они могут революционизировать повседневную жизнь, сделав невзламываемые средства связи безопасными для банковского дела, медицины, навигации и многого другого. Возможно, мы еще не достигли этого, но ученые уже тестируют строительные блоки и собирают прототипы систем.

«Все время происходят прорывы», — говорит София Эконому, профессор физики и эксперт по квантовой информации в Технологическом институте Вирджинии.

Базовые квантовые коммуникации, называемые распределением квантовых ключей, уже помогают защитить передачу данных на короткие расстояния. Но прежде чем квантовые сети станут обычным явлением, они, скорее всего, дебютируют в научных кругах.

Поскольку мы вступаем в квантовую эру, вот четыре вещи, которые нужно знать о квантовых сетях.

1. Квантовые сети возможны благодаря странному миру квантовой механики.

Понимание квантовых сетей сводится к пониманию нескольких фундаментальных квантовых явлений с научно-фантастическими названиями: суперпозиция, запутанность и телепортация.

Чтобы понять эти явления, нужно выйти за пределы вашего повседневного опыта того, как устроен мир.

Например, классические компьютерные биты равны либо 1, либо 0, как монета, выпавшая орлом или решкой, или включение или выключение электрического сигнала компьютера. Квантовая сфера, однако, не так уж важна. Кубиты, которые обычно являются фотонами или электронами, могут быть 1 или 0. Но они также могут одновременно быть 1 и 0. Они больше похожи на крутящиеся монеты, которые неопределенно выпадают и орлом, и решкой. Только после измерения кубиты переходят в состояние 1 или 0. Эта двойственность называется суперпозицией и позволяет быстрее выполнять некоторые вычислительные процессы.

Кроме того, вычисления с кубитами более безопасны, чем с классическими битами, благодаря явлению, известному как запутанность. По словам Панайотиса Спенцуриса, ученого из Национальной ускорительной лаборатории Ферми Министерства энергетики США, «запутанность — один из самых крутых и интригующих аспектов квантовой физики».

Запутанность позволяет двум кубитам стать неразрывно связанными, независимо от того, сколько места их разделяет. После запутывания два кубита могут зеркально отражать друг друга, каждый из которых полностью коррелирует с измерением другого. Если один кубит переключится на 0, то же самое произойдет и с его коррелированным партнером.

Эта причуда используется для безопасной передачи квантовой информации — процесс, известный как телепортация. Хотя эта телепортация не связана с перемещением физических объектов, она перемещает информацию.

Представьте, что вы хотите отправить защищенное сообщение другу, подключенному через квантовую сеть.

С помощью квантовой сети вы можете отправить им запутанный кубит, а другой оставить себе. Измерение состояния кубита даст ключ, который можно использовать для шифрования сообщения, отправленного по неквантовому каналу. Кубит вашего друга, запутанный и, таким образом, полностью коррелирующий с вашим кубитом, будет функционировать как ключ к расшифровке полученного сообщения.

Непрочитанное квантовое состояние невозможно скопировать. Если бы шпион перехватил кубит, чтобы украсть шифрование, состояние кубита было бы прервано, оставив подсказку, которую кто-то подслушивал.

Эти типы сообщений с квантовым кодированием уже отправляются. Распределение квантовых ключей использовалось для банковских переводов и безопасной передачи результатов голосования. Однако этот вид связи в настоящее время практичен только на коротких, городских расстояниях.

Это потому, что квантовая информация деликатна. Кубиты обычно отправляются в виде фотонов с использованием тех же стандартных волоконно-оптических кабелей, по которым проходит большая часть Интернета. Малейший удар о стену оптоволоконного кабеля, проходящий фотон солнечного света и даже незначительное несоответствие пройденных расстояний – все это может привести к тому, что два кубита выпадут из запутанности.

2. Расширенным квантовым сетям потребуются специальные повторители, чтобы пройти расстояние.

Отправка информации через полмира с квантовыми сетями намного сложнее, чем с классическими сетями. В классических сетях усилители, периодически размещаемые вдоль линии, переизлучают сигналы, превращая марафон в эстафету. Однако квантовые сети не могут использовать усилители, потому что чтение и повторная передача кубитов нарушили бы их запутанность, нарушив передачу.

Вместо этого исследователи работают над созданием квантовых повторителей, которые смогут передавать информацию без необходимости считывания кубитов. Для этого квантовые повторители создадут несколько запутанных пар кубитов, которые будут связаны друг с другом, образуя гигантскую запутанную цепочку — нечто, известное как обмен запутанностью. Вместо эстафеты это больше похоже на игру «Саймон говорит», где каждый кубит отражает своего соседа. Система сохраняет свою безопасность, потому что, как и в случае с запутанностью, если посторонний попытается скопировать информацию, состояние кубитов будет прервано, что обнаружит шпиона.

Хотя концептуально это просто, реализовать его невероятно сложно.

«Некоторые люди продемонстрировали проекты, которые в принципе могли бы быть квантовыми ретрансляторами, но в реальной сети они не развернуты», — говорит Эмилио Нанни, доцент Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC.

В настоящее время исследователи в основном сосредоточены на разработке сетей городского масштаба, которые достаточно малы, чтобы не нуждаться в квантовых повторителях. Спенцурис — один из таких исследователей. Он создает сеть по всему Чикаго для тестирования сетевой инфраструктуры, такой как замена запутанности, которую уже можно выполнять с узлами, не использующими квантовые повторители. Он надеется, что такие шаги помогут квантовым сетям быть готовыми к расширению, когда станут доступны повторители.

Другие группы по всему миру, например, из Технологического университета Делфта в Нидерландах и Университета науки и технологий Китая, продемонстрировали более длинные сетевые соединения, включая соединение нескольких квантовых устройств, запутывание более дюжины или более кубитов, и использование квантовой телепортации на расстояние более тысячи километров по спутниковым каналам связи, потери в которых меньше, чем в волоконно-оптических кабелях. Хотя такие демонстрации впечатляют, они все еще далеки от настоящих квантовых сетей.

3. Квантовые сети будут работать с существующими сетями.

Квантовые сети в конечном итоге должны быть очень надежными и легко интегрироваться в нашу жизнь. Таким образом, вполне вероятно, что квантовые сети будут работать на основе волоконно-оптических кабелей, наряду с нашими нынешними сетями и Интернетом. Чтобы объединиться с нашей текущей инфраструктурой, квантовым сетям потребуются интерфейсы, которые могут соединять неквантовые системы, такие как ваш смартфон, с квантовыми процессорами и узлами.

В своей лаборатории Нанни и его сотрудники работают над созданием компьютерного чипа, который мог бы соединять классические компьютеры с квантовой сетью. Такие чипы и другие классические квантовые мосты однажды позволят нам легко и безопасно отправлять банковские переводы или информацию через квантовые сети, не нуждаясь в персональных квантовых компьютерах.

По мере того, как исследователи работают над созданием более надежных сетей, разрабатываются новые прототипы и проекты, и открытия происходят почти ежемесячно. В большинстве областей исследований было разработано несколько вариантов без явных победителей.

Например, кубиты можно закодировать множеством способов — используя их состояния поляризации, спиновые состояния, время прибытия, движения захваченных ионов и атомов и состояния сверхпроводников. Некоторые конструкции работают невероятно хорошо, но только при переохлаждении, в то время как другие совместимы при комнатной температуре, но менее надежны. Вероятно, будущие квантовые сети будут представлять собой смесь таких вариантов с разными конструкциями, предназначенными для разных приложений.

«Ключевой задачей для квантовых сетей является возможность взаимодействия между множеством различных типов квантовых систем и тем, что вы выберете в качестве сети», — говорит Нанни. «Я сильно подозреваю, что в конечном итоге мы не остановимся на одном типе устройств, потому что разные типы платформ имеют разные неотъемлемые преимущества».

4. Квантовые сети в первую очередь будут важны для научного зондирования.

Могут пройти десятилетия, прежде чем обычный человек вступит в контакт с квантовой сетью. Но их применение в науке может быть гораздо более неизбежным.

Ранние сети, вероятно, будут использоваться для таких вещей, как облачные супервычисления с квантовыми сетями, использующими мощь нескольких квантовых компьютеров. Квантовые сети также обеспечат более точное научное зондирование, которое может улучшить атомные часы и сделать GPS более надежным.

Астрономы также стремятся использовать квантовые сети, соединяя оптические телескопы, позволяя нескольким обсерваториям функционировать как один гигантский телескоп — оптический интерферометр.

Ученые уже добились чего-то подобного в 2019 году, когда они использовали телескоп горизонта событий для создания первого в истории изображения черной дыры. EHT был не одним телескопом, а сетью радиотелескопов, расположенных по всему миру. Точно так же инструмент GRAVITY на очень большом телескопе-интерферометре ESO, который состоит из телескопов, разбросанных вдоль небольшой вершины холма, использовал оптическую интерферометрию для изображения планеты вокруг другой звезды в том же году.

Следующим шагом будет объединение оптических телескопов, разнесенных еще дальше друг от друга, что еще больше улучшит разрешение изображения. Это может привести к новаторским открытиям в отношении обитаемости близлежащих планет, темной материи и расширения Вселенной.

«Такого разрешения [которое можно было бы получить с помощью оптических интерферометров] достаточно, чтобы увидеть район вроде Нью-Йорка на планете в ближайшей звездной системе», — говорит Эмиль Хабибуллин, аспирант Гарварда, опубликовавший статью, описывающую один из возможных способов подключения телескопов к квантовым сетям.

Однако увеличение расстояния между оптическими телескопами — большая проблема. Фотоны неизбежно теряются во время путешествия к центральному узлу, где они рекомбинируются, а большие расстояния означают потерю большего количества данных.

Квантовые сети предлагают одно решение этой проблемы. Если квантовую информацию о фотонах можно будет записывать на каждом телескопе и передавать по сети, это может значительно уменьшить потерю данных. Но огромное количество фотонов, возможно, собранных оптическим телескопом, превысит пропускную способность квантовых сетей, как они представляются сейчас.

Одним из обходных путей является квантовый подход, предложенный Хабибуллином и другими, который может сжимать и хранить квантовую информацию о фотонах перед ее отправкой по квантовой сети с использованием меньшего количества кубитов. Другие группы, такие как исследователи из Сиднейского университета, предложили использовать квантовые жесткие диски, устройства, которые будут хранить квантовую информацию о фотонах, прибывающих в отдельные телескопы, до тех пор, пока они не будут физически объединены и рекомбинированы.

Независимо от окончательного подхода, достижения, впервые разработанные астрономами и другими учеными, скорее всего, просочатся в квантовые сети, которые люди могут когда-нибудь использовать.

«Я думаю, что с уровнем энтузиазма, который присутствует в научном сообществе сейчас, в течение следующего десятилетия мы действительно окажем большое влияние», — говорит Нанни.

Что такое квантовая сеть?

Квантовые сети изменят мир. Точно так же, как Интернет привел к революции в вычислительной технике и обществе в целом, эксперты ожидают, что квантовый Интернет окажет глубокое влияние на то, как мы живем. Страны по всему миру уже стремятся стать лидерами в новой области. Несмотря на весь этот ажиотаж вокруг технологии квантовых сетей, мало кто знает, что все это на самом деле означает. Итак, что такое квантовая сеть и как она работает?

Что такое квантовая сеть?

Квантовые сети передают квантовые данные, обычно хранящиеся в виде отдельных фотонов. Используя силу, присущую квантовым состояниям, квантовые сети могут создавать новые приложения, такие как безопасность, которую невозможно взломать на основе физики, более мощные квантовые компьютеры, которые могут решать задачи за считанные минуты, на которые в противном случае ушли бы годы, и сети запутанных квантовых датчиков.

Как работает квантовая сеть?

Квантовые сети используют преимущества квантовой механики, странные физические свойства, которые проявляются только в очень малых масштабах — как отдельные частицы. Используя отдельные фотоны, квантовые сети могут создавать запутанные квантовые состояния по всему миру.

Кубиты, запутанность и квантовые повторители составляют некоторые из строительных блоков работы квантовых сетей.

Что такое кубит?

Кубиты — это строительные блоки квантовых данных. В то время как классический бит должен быть либо 0, либо 1, кубит может находиться в суперпозиции как 0, так и 1. Кроме того, кубиты обладают странным свойством: однажды измеренные, они вероятностно коллапсируют до 0 или 1. a 1. Например, если мы измеряем кубит в «равной суперпозиции» 0 и 1, будет 50/50 выстрел измерения любого состояния. Кроме того, несколько кубитов могут «запутаться».

Что такое запутанность?

Запутанность — это явление, при котором два кубита становятся взаимозависимыми друг от друга. Даже будучи разделенными, запутанные кубиты могут показаться мгновенно связанными.

Запутанность — сложная концепция. Это сбивало с толку как студентов, так и преподавателей на протяжении десятилетий. Даже Эйнштейн боролся с квантовой запутанностью и, как известно, отверг эту концепцию. Однако теперь мы знаем, что квантовые частицы, как и фотоны, запутываются. С квантовыми сетями мы можем использовать это уникальное свойство квантовых состояний для запуска новых мощных приложений.

Используя свойства квантовой механики, такие как суперпозиция и запутанность, квантовые сети могут открывать новые приложения, недоступные в современных сетях.

На что способны квантовые сети?

Квантовые сети могут обеспечить основанную на физике сверхбезопасную связь, более мощные квантовые компьютеры и улучшенные квантовые датчики. Точно так же, как создатели ARPANET не могли предсказать множество способов, которыми мы сегодня используем Интернет, вероятно, будет гораздо больше приложений квантовых сетей, которые мы не можем себе представить, пока не создадим их.

Безопасная связь

Современные сети уязвимы. Из-за частых взломов доверие к безопасности Интернета отсутствует. Квантовые сети могут обеспечить другой вид безопасности, основанный только на законах физики. Квантовые сети позволяют устанавливать соединение с помощью запутывания, а не передавать данные напрямую через сеть. Кроме того, благодаря свойствам квантовых состояний можно с уверенностью определить, было ли перехвачено сообщение. Квантовые сети обеспечат новый уровень безопасности в Интернете, свободный от угроз взлома или даже появления более мощных квантовых компьютеров, которые угрожают протоколам шифрования, широко используемым сегодня в Интернете.

Распределенные квантовые вычисления

Для полезных приложений квантовых вычислений требуются устройства с гораздо большим количеством кубитов, чем могут предоставить современные платформы. Попытки создавать все более и более крупные устройства наталкиваются на фундаментальные физические барьеры. Давайте перестанем бороться с физикой. Распределенные квантовые вычисления снижают затраты и увеличивают вычислительную мощность за счет объединения квантовых компьютеров в кластеры.

Квантовое восприятие

Квантовые датчики используют мощь квантовой механики для достижения лучших результатов, чем это возможно в классическом варианте. Один из способов создания более мощных квантовых датчиков — это объединение множества датчиков для объединения их мощности. Поскольку квантовые сети распределяют запутанность, их можно использовать для обеспечения гораздо более высокой производительности приложений квантовых датчиков. Например, квантовый интернет будущего может позволить создать глобальную сеть часов, что обеспечит гораздо более высокую точность, чем это возможно сегодня. Это, в свою очередь, может найти широкое применение, например, более точный GPS.

Какой следующий шаг для квантовых сетей?

Началась гонка за создание первых реальных квантовых сетей. В 2020 году США объявили о своем Плане квантового Интернета, в котором изложен план создания первых крупномасштабных квантовых сетей в США. Аналогичные усилия предпринимаются по всему миру, например, Альянс квантового Интернета в Европе.