Квантовая связь | квантовая связь в России | спутник квантовой связи | квантовая линия связи | квантовая телефонная связь | квантовый канал связи | квантовая связь в китае | китайский квантовый спутник связи | как работает квантовая связь | квантовая связь корея | связь на основе квантовой запутанности

Подробности

Категория: Новости

Технологический прогресс в области телекоммуникаций не стоит на месте. Вроде только недавно высокоскоростной интернет стал добираться до самых отдаленных уголков нашей планеты, как уже ученные говорят про внедрение квантовой связи.

Что такое квантовая связь и как работает квантовая связь?

Квантовая связь – это совокупность методов для передачи закодированной информации в квантовых состояниях из одной точки в другую. Квантовая связь дает возможность передавать информацию в зашифрованном виде.

Главная идея квантовой криптографии заключается в полной зашифрованности сообщений, что делает невозможным ее перехват третьими лицами. Каждое передаваемое сообщение содержит свой уникальный секретный ключ. Причем абсолютная секретность передаваемой информации обеспечивается не вычислительными и техническими возможностями, а законами природы.

Сигналы передаются с помощью потока одиночных фотонов. Фотон невозможно разделить, измерить, скопировать или незаметно убрать. Из-за подобных действий фотон просто разрушается и не может дойти до своего получателя.

 

 

Применение квантовой связи: квантовые линии связи, спутник квантовой связи, квантовая телефонная связь

Сегодня связь на основе квантовой запутанности находит применение именно в тех сферах, где требуются особые условия безопасности, как например, в банковской сфере.

В России в 2016 году  у нас была проложена первая в стране линия квантовой связи. Эта линия соединила 2 филиала Газпрома в Москве. А общая протяженность этой квантовой линии связи немного превысила 30 км. 

А недавно была запущена и первая междугородная линия в Ленинградской области. Ее протяженность уже составила 60 км.

Но такая наземная связь не имеет глобальных масштабов. Расширить границы применения квантовой связи позволит спутник, на который возлагаются очень большие надежды. За счет применения спутника квантовой связи ученые рассчитывают увеличить реализацию схемы квантового распределения ключа до 7 тыс. км. А  если подобных спутников будет множество, они смогут не только обеспечить глобальное распространение квантового интернета, но и квантовую связь в космосе.

 

 

Первый подобный спутник был запущен Китаем в 2016 году. Основной целью запуска китайского квантового спутника связи являлось изучение распределения квантовой связи по маршруту «Спутник-Земля». И уже были проведены успешные эксперименты, в рамках которых сигнал от Micius прошел через атмосферу и был принят двумя наземными станциями. В 2017 году было завершено тестирования спутника квантовой связи в Китае. Спутник введен в эксплуатацию.

А в 2017 году в МГУ был протестирован первый квантовый телефон. Помимо защищенности связи, ученные сообщают о том, что квантовому телефону абсолютно не страшны  ни расстояния, ни погодные условия. В разработке такого телефона достигнута полная помехозащищенность.

Активно развивается квантовая связь и в Корее. Уже сейчас в Южной Корее готовятся к выпуску городских кроссоверов, снабженных такими телефонами. Считается, что квантовая телефонная связь вполне может вытеснить привычные нам сотовые телефоны.

 

 

Возможные проблемы квантовой связи

Квантовая связь только начинает свое развитие. А поэтому ученным и разработчикам приходится сталкиваться с некоторыми проблемами.

Основная проблема – это финансирование. Изучение и развитие линий квантовой связи требует больших вложений. Причем пока сеть до конца не изучена, отдачи от этих вложений практически не происходит. Но правительства стран прекрасно понимают, какие перспективы открывает квантовая связь, а поэтому не жалеют финансов на ее развитие.

Еще одной проблемой выступает тот факт, что бит может копироваться лишь один раз. А это значит, что информацию по квантовому каналу связи можно только передать. А дальше с ней уже не получится что-либо сделать. В данный момент ученные пытаются разрешить эту проблему. Так, сейчас пытаются, используя квантовые технологии связи, создавать перепутанные пары фотонов. С их помощью можно будет посылать в два конца из одной точки и связывать между собой две удаленные точки. Если создать множество таких узлов, то можно будет организовать линию связи на бесконечно большие расстояния. Но для реализации задумки также требуется квантовая память. А ее создание находится только в процессе разработки.

Квантовая связь открывает большие перспективы в развитии телекоммуникации. А поэтому, над данным направлением в настоящее время трудятся великие умы не только нашей страны, но и мира. О текущем состоянии и перспективах развития мобильной и беспроводной связи можно узнать из книги «Мобильная связь на пути к 6G».

Презентация книги «Мобильная связь на пути к 6G»

Итоги TELECOMTREND-2017

Как работает сотовая связь? Почему мобильную связь называют сотовой? От чего зависит скорость мобильного Интернета? Новый обучающий мультфильм по мобильной связи

«Телекоммуникационный бизнес в эпоху digital» и другие презентации Международного Съезда TELECOMTREND

Официальная группа портала 1234G. ru в Facebook. Присоединяйтесь, чтобы быть в курсе!

{jcomments on}

российский учёный — о беспроводной квантовой связи — РТ на русском

Учёные из Центра квантовых технологий физического факультета МГУ испытали оборудование для передачи защищённой квантовым способом информации по беспроводному каналу. В интервью RT научный руководитель центра, доктор физико-математических наук, профессор кафедры квантовой электроники Сергей Кулик объяснил, что в этом случае данные передаются с помощью лазера, поэтому связь можно установить в пределах непосредственной видимости. Такая технология необходима, когда требуется абсолютная защита данных, отмечают разработчики. Кроме того, в МГУ уже подготовили аппаратуру для создания таких каналов связи с помощью низкоорбитальных спутников. Также защищённую квантовую связь можно применять для управления беспилотниками.

— Сергей Павлович, в своих интервью RT вы уже рассказывали, как устроена квантовая связь. Напомните, пожалуйста, в двух словах, что такое квантовая связь, какие у неё особенности.  

— Главная особенность и преимущество квантовой связи — исключительный уровень конфиденциальности. В целом секретность связи обычно обеспечивается за счёт часто сменяемых криптографических ключей, которыми располагают оба абонента. В квантовой связи используется новый способ распределения криптографических ключей — квантовый. Ключи формируются с помощью потока одиночных фотонов. Любое внешнее воздействие приведёт к разрушению состояния фотона. Если уровень ошибок при формировании ключа превосходит критический для используемого протокола, сеанс связи прерывается. Единственное измерение производится, когда фотон достигает принимающего устройства на другом конце сети, во время этого процесса частица исчезает.

В квантовой связи используются два канала передачи данных: по квантовому каналу передаются квантовые состояния света, а по классическому происходит обмен вспомогательной информацией, необходимой для правильной работы протокола квантовой криптографии.

• МГУ
• globallookpress. com
• © Konstantin Kokoshkin

Технология квантовой связи предполагает, что сначала между абонентами распределяются ключи, а затем ими шифруется передаваемая информация. Информацию, зашифрованную квантовыми ключами, можно передавать как по оптоволокну, так и по атмосферным (беспроводным) каналам.

Технология квантовой связи активно развивается и в России, и во всём мире. У нас в стране такая связь уже представлена не просто в виде одной линии, связывающей двух абонентов, а полноценными сетями. Одна из таких сетей была представлена в конце прошлого года в МГУ имени М.В. Ломоносова. Это разветвлённая система, которая включает сейчас более 20 абонентов в кампусе МГУ, а также протянута до офиса индустриального партнёра нашего Центра — компании «ИнфоТеКС», производителя квантового оборудования, который расположен более чем в 40 км от нас.

— Как устроена квантовая передача информации по атмосферным каналам связи? Как работает эта технология?

— Технология работает с использованием лазера — источника квазиоднофотонных состояний.

Другое название лазера — оптический квантовый генератор. Для квантовой связи лазер настраивается так, чтобы в каждом его импульсе было очень мало фотонов. Каждому фотону придаются определённые характеристики в зависимости от используемого протокола квантовой криптографии.

Также по теме

«Надо придумывать новые фундаментальные подходы»: физик МГУ — о развитии квантовых вычислений в России и мире

Прогресс в разработке универсального квантового компьютера, который превзошёл бы классические аналоги, зависит от того, когда…

Не все фотоны долетают до принимающего устройства, но часть достигает цели. На принимающей стороне стоит модуль регистрации фотонов — объектив с достаточно высокой апертурой (апертура — характеристика оптического прибора, описывающая его способность собирать свет. —

RT). Далее фотон попадает в специальную оптическую систему, на детектор, который преобразует полученные данные в импульсы для формирования криптографического ключа.

Использование атмосферного канала связи имеет как плюсы, так и минусы. Минус — для передачи данных нужно, чтобы абоненты находились в непосредственной видимости, чтобы между ними не было преград. Такая связь сильно зависит от погоды: во время снегопада или тумана криптографические ключи по атмосферному каналу распределить не получится. Но с этой проблемой уже научились бороться — ключи распределяются с небольшим запасом, старыми ключами можно некоторое время шифровать новую информацию.

В наших системах ключи (256 бит) генерируются со скоростью порядка нескольких штук в минуту или быстрее.

Плюс заключается в том, что беспроводной канал можно использовать там, где нельзя проложить оптоволокно.

• Gettyimages.ru
• © Westend61

— Центр квантовых технологий физического факультета МГУ недавно протестировал аппаратуру для передачи квантовых ключей и информации, защищённой квантовыми ключами, по атмосферным каналам связи.

Расскажите, пожалуйста, подробней об этой работе.

— Эта работа ведётся нами уже очень давно, такую аппаратуру мы уже тестировали много раз. Накануне мы просто сделали ещё один шаг вперёд в рамках этого проекта, вышли на новый технический уровень. Система представляет собой два терминала, которые связаны между собой через атмосферный канал на расстоянии нескольких километров, в пределах видимости. Причём мы уже делали систему распределения ключей через атмосферный канал и на мобильный объект — это был беспилотный летательный аппарат, который летал в радиусе нескольких сотен метров вокруг передатчика.

У нас есть и другой проект, который пока тормозится из-за бюрократических проволочек, — речь о распределении ключей на низкоорбитальные спутники. В этой области у нашего Центра есть большой задел: необходимая аппаратура разработана и изготовлены макетные образцы.

Также по теме

Новый метод диагностики: эксперты РКЦ представили созданные при поддержке Газпромбанка квантовые сенсоры

На Петербургском международном экономическом форуме прошла презентация проектов по использованию квантовых датчиков в медицине.

Речь…

— Насколько сложная аппаратура нужна для реализации квантовой связи по атмосферному каналу?

— Используется как специальная аппаратура, так и классическая, которая применяется в телекоммуникации. Специальное оборудование применяется для генерации фотонов, их преобразования и регистрации. Это уникальные приборы, хотя, повторюсь, и мы, и другие научные команды уже давно занимаемся этим направлением.

Также используется и привычное телекоммуникационное оборудование — телескопы, устройства для преобразования оптических сигналов и управления ими.

— На какое максимальное расстояние можно передавать данные таким способом?

— Лучше всего эта технология работает в космосе, где нет аэрозолей и примесей. Есть такое понятие, как дифракционная расходимость. Обычно эта расходимость имеет не очень большой угол, поэтому в космосе данные можно передавать на тысячи километров в условиях прямой видимости. Рекордные значения в земных условиях — сотни километров, но в условиях мегаполиса из-за высокой загрязнённости атмосферы это, как правило, несколько километров.

Однако есть немало заказчиков, для которых такую связь важно обеспечить даже не на километры, а на сотни метров. Это необходимо, когда на большей протяжённости квантовая связь уже обеспечена через оптоволокно, но остались небольшие участки, куда его сложно или нецелесообразно проводить. На этих участках как раз и задействуется передача данных по атмосферному каналу. Образно эти участки можно назвать «последняя миля».

Как правило, речь идёт об офисах больших компаний. Некоторые располагаются в нескольких корпусах, и тогда атмосферный канал позволяет установить между ними зашифрованную связь.

• Gettyimages.ru
• © Charles O’Rear

— Вы уже упомянули помехи в виде аэрозолей, снега, которые мешают такой связи. Есть ли какие-то ещё решения этой проблемы, кроме использования старых ключей?

— Таких решений не существует, возможные помехи — плата за секретность связи, накладные расходы, образно говоря.

— В каких ещё областях может применяться эта технология? Например, пишут о её возможном использовании для связи с беспилотным транспортом.

— Да, мы уже разработали такую аппаратуру, которая может работать на беспилотном транспорте, если это необходимо. Степень защиты данных в этом случае обеспечивается очень высокая, я не думаю, что беспилотный транспорт нуждается в таком уровне конфиденциальности. Основное применение — это всё же связь на коротких расстояниях в городских условиях, а также в перспективе — использование в космической области.

Для космоса данная технология очень актуальна, потому что применение её на низкоорбитальных спутниках позволит покрыть защищённой связью очень большие территории. Это сложная задача, но она уже практически решена. Сегодня в России это уже даже не технический, а сугубо организационный вопрос.

Квантовая сеть — шаг к сверхзащищенному Интернету

Физики сделали большой шаг к будущей квантовой версии Интернета, объединив в сеть три квантовых устройства. Квантовый интернет обеспечит сверхзащищенную связь и откроет доступ к научным приложениям, таким как новые типы датчиков гравитационных волн и телескопы с беспрецедентным разрешением. Сообщили о результатах ¹ 8 февраля в репозитории препринтов arXiv.

«Это большой шаг вперед, — говорит Родни Ван Метер, инженер по квантовым сетям из Университета Кейо в Токио. Хотя сеть еще не обладает производительностью, необходимой для практических приложений, добавляет Ван Метер, она демонстрирует ключевой метод, который позволит квантовому интернету соединять узлы на больших расстояниях.

В квантовых коммуникациях используются явления, уникальные для квантовой сферы, такие как способность элементарных частиц или атомов существовать в «суперпозиции» нескольких одновременных состояний или разделять «запутанное» состояние с другими частицами. Исследователи продемонстрировали ² принципы квантовой сети с тремя узлами ранее, но последний подход может более легко привести к практическим приложениям.

Запутанная паутина

В основе квантовых коммуникаций лежит информация, хранящаяся в кубитах — квантовом эквиваленте битов в обычных компьютерах, — которые можно запрограммировать так, чтобы они представляли собой суперпозицию «0» и «1». Основная цель квантовой сети — позволить кубитам на устройстве пользователя быть запутанными с кубитами на чужом. У этой запутанности есть много потенциальных применений, начиная с шифрования: поскольку измерения запутанных объектов всегда коррелируют, многократно считывая состояния своих кубитов, пользователи могут генерировать секретный код, который известен только им.

Источник: Реф. 1

В последней демонстрации физик Рональд Хэнсон из Технологического университета Делфта в Нидерландах и его сотрудники соединили три устройства таким образом, что любые два устройства в сети оказались со взаимно запутанными кубитами. Они также помещают кубиты на всех трех устройствах в трехсторонне запутанное состояние, что, помимо прочего, позволяет трем пользователям обмениваться секретной информацией.

Каждое из делфтских устройств хранит квантовую информацию в кристалле синтетического алмаза — точнее, в квантовых состояниях дефекта кристалла, где атом азота заменяет один из атомов углерода.

В таком алмазном устройстве исследователи могут подтолкнуть азотный кубит к испусканию фотона, который будет автоматически запутан в состоянии атома. Затем они могут направить фотон в оптическое волокно и доставить его к другому устройству, помогая установить запутанность между удаленными кубитами. В экспериментальном эксперименте ³ в 2015 году команда Делфта успешно запутала два устройства на основе алмазов и использовала их для подтверждения некоторых важных предсказаний квантовой механики.

Квантовая память

Одно из трех устройств в последнем эксперименте команды — то, что находится в середине сети — также было настроено для хранения информации в «квантовой памяти», которая может хранить данные дольше, чем другие кубиты, и была ключом к Настройка трехсторонней запутанности. Кубит памяти использовал углерод-13, нерадиоактивный изотоп, который составляет около 1% встречающегося в природе углерода. У углерода-13 в ядре есть дополнительный нейтрон, поэтому он действует как стержневой магнит. Исследователи использовали активный электрон в дефекте азота в качестве датчика, чтобы определить местонахождение соседнего ядра углерода-13. Управляя электроном, они смогли подтолкнуть ядро ​​углерода к определенным квантовым состояниям, превратив его в дополнительный кубит. Такие углеродные квантовые воспоминания могут сохранять свои квантовые состояния в течение 1 минуты и более, что в субатомном мире равно вечности.

Углеродная память позволила исследователям поэтапно настроить сеть из трех устройств. Сначала они запутали один из концевых узлов азотом в центральном узле. Затем они сохранили квантовое состояние азота в углеродной памяти. Это освободило центральный азотный кубит, чтобы он запутался с кубитом в третьем узле. В результате в центральном устройстве один кубит был запутан с первым узлом, а другой одновременно запутан с третьим (см. «Квантовая сеть»).

Техника требовала годы усовершенствования. Углеродный кубит должен быть достаточно хорошо изолирован от окружающей среды, чтобы его квантовое состояние сохранялось, пока физики проводят дальнейшие операции, но при этом должен быть доступным, чтобы его можно было запрограммировать. «Вы хотите сохранить квантовое состояние, поэтому оно должно быть экранировано. Но ее не следует экранировать слишком сильно», — сказал Хэнсон репортеру во время посещения своей лаборатории в 2018 году.

Эта и другие проблемы сделали эксперимент более сложным, чем двухузловая сеть, говорит Трейси Нортап, физик из университета. Инсбрука в Австрии. «Как только вы всерьез пытаетесь связать три, все становится значительно сложнее».

Хранение информации в узле позволило команде продемонстрировать технику, называемую перестановкой запутанности, которая может оказаться столь же важной для будущего квантового интернета, как маршрутизаторы для нынешнего.

Материальные проблемы

Делфтская команда не первая, кто успешно соединил три квантовые памяти: в 2019 году группа под руководством физика Пань Цзяньвэя из Китайского университета науки и технологий в Хэфэе сделала это, используя кубит другого типа. , основанный на облаках атомов, а не на отдельных атомах в твердом объекте ² . Но этот эксперимент еще не мог произвести запутанность по требованию, говорит Нортап. Обнаружив фотоны, команда Хэфэй могла только «задним числом извлечь тот факт, что запутанность была», а не то, что он все еще доступен для дальнейшего использования.

Ван Метер говорит, что кубиты атомного облака более ограничены в том, что они могут делать, поэтому команде Хэфэя может быть очень сложно выполнить замену запутанности, хотя, возможно, и не невозможно. «Я бы никогда не сказал никогда с группой Pan».

Михаил Лукин, физик из Гарвардского университета в Кембридже, штат Массачусетс, называет эксперимент в Делфте «героическим», но добавляет, что его выполнение медленное, показывая, что дефекты азота также имеют ограничения. По его словам, команда Лукина работает над аналогичными экспериментами в алмазе с дефектами кремния, которые гораздо эффективнее взаимодействуют с фотонами. Другие команды построили сети с ионами, захваченными электромагнитным полем, или с дефектами в кристаллах редкоземельных элементов, которые могут взаимодействовать с инфракрасными фотонами, способными перемещаться по оптоволокну без значительных потерь. (Оптические волокна плохо переносят фотоны видимого света, испускаемые дефектами азота в алмазе.)

В своей статье Хэнсон и его соавторы предполагают, что их методы «предоставят руководство для аналогичных платформ, достигающих того же уровня зрелости в будущем».

DOE объясняет… Квантовые сети | Министерство энергетики

Заинтересованные стороны из правительства, национальных лабораторий, университетов и промышленности собрались на семинаре DOE Quantum Internet Blueprint Workshop, чтобы определить цели исследований и вехи для ускорения развития квантового интернета в нашей стране.

Изображение предоставлено Управлением науки Министерства энергетики США

Современный Интернет объединяет нас по всему миру. Он отправляет пакеты информации, которые переносят наши сообщения в классических сигналах — посылаются вспышками света по оптическим волокнам, электрически по медному проводу или микроволнами для установления беспроводных соединений. Это быстро и надежно. Так зачем же разрабатывать квантовый интернет , который вместо этого использует одиночные фотоны — наименьший возможный квант света — для передачи информации?

Потому что есть новые научные области для изучения. Квантовая физика управляет областью очень малого. Это позволяет нам понять — и использовать в своих интересах — уникальные квантовые явления, для которых нет классического аналога. Мы можем использовать принципы квантовой физики для разработки датчиков, которые делают более точные измерения, компьютеров, которые моделируют более сложные физические процессы, и сетей связи, которые надежно соединяют эти устройства и создают новые возможности для научных открытий.

Квантовые сети используют квантовые свойства фотонов для кодирования информации. Например, фотоны, поляризованные в одном направлении (например, в направлении, позволяющем им проходить через поляризованные солнцезащитные очки), связаны со значением; во-первых, фотоны, поляризованные в противоположном направлении (чтобы они не проходили через солнцезащитные очки), связаны с нулевым значением. Исследователи разрабатывают протоколы квантовой связи для формализации этих ассоциаций, позволяя квантовому состоянию фотонов передавать информацию от отправителя к получателю через квантовую сеть.

Квантовые сети используют уникальные квантовые явления, такие как суперпозиция, отсутствие клонирования и запутанность, недоступные для классических сетей. До того, как фотон будет измерен, он существует в суперпозиции всех своих возможных квантовых состояний, каждое из которых имеет соответствующую вероятность. Измерение выбирает одно из этих состояний. На самом деле квантовое состояние фотона нельзя измерить, не вызвав возмущения, выдающего попытку. Точно так же нельзя скопировать произвольное неизвестное квантовое состояние — клонирование запрещено. Правильно спроектированная и управляемая квантовая сеть обеспечивает неотъемлемую безопасность благодаря такому поведению.

Но если фотон нельзя скопировать, как можно усилить передачу, чтобы достичь удаленных получателей? Вот тут-то и появляется квантовое явление запутанности. Квантовое состояние каждого запутанного фотона коррелирует с состоянием его запутанных партнеров, независимо от их расстояния друг от друга. Разрабатываются повторители квантовых сетей, которые используют запутывание для расширения диапазона квантовых сетей.

Сможет ли развивающийся квантовый интернет сделать сегодняшний классический интернет устаревшим? Нисколько. Сильные стороны квантовых сетей дополняют сильные стороны классических сетей. В долгосрочной перспективе мы получим наибольшую выгоду, включив в Интернет как классические, так и квантовые сети с возможностями, которые превышают возможности любой технологии по отдельности.

Управление науки Министерства энергетики: Вклад в квантовые сети

Управление науки Министерства энергетики предоставляет научные открытия и основные научные инструменты, которые изменят наше понимание природы и укрепят энергетическую, экономическую и национальную безопасность Соединенных Штатов. На семинаре DOE Quantum Internet Blueprint Workshop участники поставили в качестве приоритетной исследовательской цели ускоренную разработку строительных блоков квантового интернета, включая повторители квантовых сетей, использующие запутывание.