Современный интернет полагается на сложные алгоритмы шифрования для защиты информации, но хакеры приспосабливаются и учатся обходить такие системы, что приводит к кибератакам по всему миру. По прогнозам экспертов, ущерб экономике от кибератак продолжит свой рост, хотя мировая экономика уже теряет триллионы долларов ежегодно. С учетом этого, интерес к поиску альтернативы интернету выглядят всё более обоснованным, и создание квантовой сети выглядит хорошей заменой стандартным методам шифрования.

Благодаря команде ученых, создавших прототип многопользовательской квантовой сети, человечество стало ближе к созданию безопасного аналога интернета. В публикации разобрана квантовая сеть, объединяющая 8 пользователей в связный граф, и это самая большая на момент выхода статьи сеть, не требующая никаких доверительных узлов. То есть, любой пользователь может одновременно обмениваться защищённым ключом с любым другим, для чего требуется только 8 пар каналов длин волн и минимальное пользовательское оборудование.

Благодаря законам физики, в сети возможна передача сообщения полностью безопасными от перехвата способом. А в силу относительной, по сравнению с другими квантовыми сетями, дешевизне, также получается преодолеть серьезные проблемы, которые ранее ограничивали прогресс в этой технологии.

Запутываем определениями

Чтобы дальнейший материал был доступен для широкой аудитории, начну с азов. Уже давно физики разработали квантовое распределение ключей, метод безопасной передачи ключа. Он основан на том, что данные кодируются в состояниях фотона, которые в соответствии с законами квантовой механики меняются при попытке измерения. Этот процесс позволяет двум сторонам без риска перехвата обмениваться секретным ключом, используемым для шифрования и дешифрования информации. До недавнего времени этот метод был эффективен только между двумя пользователями.

Кроме того, в квантовой технике применяется принцип, называемый квантовой запутанностью. Это явление, при котором квантовое состояние двух или большего числа объектов должно описываться во взаимосвязи друг с другом, даже если отдельные объекты разнесены в пространстве. Этот процесс открывает большие возможности для квантовых компьютеров, сенсоров и обработки информации.

Объясняем реализацию

Более ранние модели квантовых сетей можно разбить на несколько типов:

• Первые опирались на доверительные узлы, которые должны быть безопасны от прослушивания. На практике редко удаётся доверять каждому узлу. Кроме того, каждый узел использовал много копий принимающего и отправляющего оборудования, что заметно увеличивало затраты. Более подробно с этим вариантом сетей можно разобраться на этом примере.

• Вторые давали возможность одновременно обмениваться ключом только определённым парам пользователей. Например, в этой статье один централизованный источник динамически распределяет двустороннюю запутанность между пользователями с помощью оптических коммутаторов.

• Третьи сети связывали всех пользователей, но часто основывались на многочастичной запутанности, что препятствовало их масштабированию. К счастью, построить такую сеть можно и с использованием мультиплексирования. Хорошим примером может служить данная модель, но она всё равно требует каналов длин волн для n пользователей, что делает масштабирование этой технологи практически невозможным.

Благодаря использованию плотного мультиплексирования с разделением по длине волны получилось создать сеть, использующую 16 каналов длины волны. Для сравнения, в предыдущей публикации этой группы учёных для создания сети с 8 пользователями им понадобилось 56 каналов.

Если разделить архитектуру на различные уровни абстракции, то на физическом уровне топология сети требует только одного волокна между пользователем и поставщиком услуг, в то время как на логическом уровне топология формирует связный граф между всеми 28 парами, которые можно составить из восьми пользователей.

Каждый пользователь получает четыре канала длин волн, обозначенных числом. При этом, было выбрано 16 каналов длин волн, симметрично расположенных относительно длины волны вырождения 1550,217 Нм, что соответствует 34 каналу МСЭ. На красной стороне спектра были использованы частотные каналы МСЭ 26-33, на синей – каналы 35-42. Из-за хорошо определенной длины волны накачки лазера и сохранения энергии при понижающем преобразовании, оказалось возможным получить поляризационную запутанность между парами каналов (26 и 42, 27 и 41, 28 и 40 и так далее).

Все пары пользователей соединены между собой через протокол BBM92, в котором фотоны, совместно используемые всеми другими пользователями, рассматриваются как фоновый шум. Узкое окно совпадения, гарантирует, что этот шум вносит лишь минимальный вклад в частоту квантовых битовых ошибок (QBER).

Проводим эксперименты

Эксперимент разделялся на 2 этапа. На первом этапе пользователи были подключены через волокно длиной около 10 м на территории лаборатории. В течение 18.45 часов собирались данные о скорости генерации ключа. Закрытый ключ вычислялся раз в 10 минут для того, чтобы параметр безопасности составил . Ниже приведена статистика для всех 28 пар пользователей.

Как можно заметить, некоторые пользователи соединены двумя фотонными парами. Например. Алиса и Гопи имеют пары {8, ?8} и {2, ?2}. Это помогает более эффективно управлять сетью, увеличивая скорость генерации ключа для определённых пользователей.

Поражаем результатом

Чтобы продемонстрировать функциональность на расстоянии, на 2 этапе эксперимента пользователей подключили через оптическое волокно в различных частях Бристоля, а способность передавать сообщения с помощью квантовой связи проверили при помощи существующей в городе волоконно-оптической сети.

Со стороны пользователя для подключения требовались только модуль поляризационного анализа и 2 однофотонных детектора. В итоге, на физическом уровне от пользователя требуются минимальные ресурсы для подключения, в то время как на логическом уровне каждая пара пользователей всегда имеет общую запутанную пару фотонов.

Подводим итоги

В то время как на построение предыдущих квантовых систем требовались годы, а затраты исчислялись миллионами или даже миллиардами фунтов стерлингов, эта сеть была создана за нескольких месяцев менее чем за 300 000 фунтов стерлингов. Выгода становится более наглядной по мере расширения сети, например, создание квантовой сети на 100 пользователей могло стоить около 5 миллиардов фунтов стерлингов. В то же время, доктор Джоши считает, что технология мультиплексирования может сократить затраты примерно до 4,5 миллионов фунтов стерлингов, что составляет менее 1 процента!

В последние годы квантовая криптография успешно используется для защиты транзакций между банковскими центрами в Китае и для защиты голосов на выборах в Швейцарии. Однако его более широкое применение сдерживается исключительно масштабом задействованных ресурсов и связанных с этим расходов.

По словам доктора Джоши, человечество сделало огромный шаг к созданию безопасного аналога Интернета:

С таким масштабом экономии перспектива общедоступного квантового интернета становится всё менее туманной. Мы это доказали, и, продолжая совершенствовать наши методы мультиплексирования для оптимизации и совместного использования ресурсов в сети, мы могли бы рассчитывать на обслуживание не только сотен или тысяч, но и потенциально миллионов пользователей в недалеком будущем.