Что такое квантовый интернет?

Квантовый интернет — это передовая технология, основанная на принципах квантовой механики для передачи данных между узлами сети. В отличие от традиционных (классических) сетей, квантовый интернет использует квантовые состояния частиц для передачи информации. Это включает в себя использование явлений квантовой суперпозиции, запутанности и других квантовых эффектов.

Квантовая суперпозиция:

Суперпозиция позволяет квантовым битам (кубитам) находиться в нескольких состояниях одновременно, в отличие от обычных битов, которые могут быть только в состоянии "0" или "1". Это значительно увеличивает вычислительную мощность квантовых систем.

Квантовая запутанность:

Запутанность — это явление, при котором квантовые состояния двух или более частиц становятся взаимосвязанными так, что изменение состояния одной частицы мгновенно отражается на состоянии другой, независимо от расстояния между ними. Это явление позволяет мгновенно передавать информацию между запутанными частицами.

Квантовое шифрование:

Квантовый интернет использует квантовую криптографию для создания абсолютно защищённых каналов связи. Квантовое распределение ключей (QKD) позволяет детектировать любую попытку перехвата данных, так как измерение квантового состояния изменяет его.

Преимущества квантового интернета

Квантовый интернет предлагает множество преимуществ по сравнению с традиционными сетями. Эти преимущества связаны главным образом с уникальными свойствами квантовой механики, такими как суперпозиция и запутанность. Рассмотрим основные из них:

1. Улучшенная кибербезопасность

Квантовая криптография: Квантовая криптография, в частности, квантовое распределение ключей (QKD), обеспечивает абсолютно безопасную передачу данных. Любая попытка перехвата квантового ключа изменяет его состояние, что становится сразу заметно и позволяет предотвратить утечку информации.

Необратимость взлома: В отличие от классических шифров, которые могут быть взломаны при наличии достаточной вычислительной мощности, квантовые шифры практически невозможно взломать благодаря принципам квантовой механики.

2. Увеличенные вычислительные возможности

Распределённые квантовые вычисления: Квантовый интернет позволяет соединять несколько квантовых компьютеров в единую сеть, значительно увеличивая их общую вычислительную мощность и решая сложные задачи, недоступные для традиционных компьютеров.

Эффективное решение сложных задач: Распределённые квантовые вычисления могут использоваться для моделирования сложных систем, химических реакций и даже прогнозирования финансовых рынков с высокой точностью.

3. Способность к передаче данных с высокой скоростью и низкой задержкой

Параллельная передача данных: Благодаря свойству суперпозиции, квантовые системы могут передавать несколько состояний одновременно, что приводит к значительному увеличению пропускной способности сети.

Мгновенная передача данных: Квантовая запутанность позволяет передавать информацию практически мгновенно между запутанными частицами, что может значительно уменьшить задержки при передаче данных.

4. Повышенная надёжность и устойчивость к шумам

Квантовые повторители: Технология квантовых повторителей позволяет защищать квантовую информацию от деградации и шумов, обеспечивая надёжную и долговременную передачу данных на большие расстояния.

Интеграция с классическими сетями: Квантовые сети могут быть интегрированы с существующими классическими сетями, что позволяет создавать гибридные системы с повышенной надёжностью и устойчивостью к сбоям.

5. Новые модели коммуникации

Усовершенствованные протоколы обмена: Квантовая механика предлагает новые способы обмена данными и взаимодействия между устройствами, что открывает возможности для создания инновационных коммуникационных протоколов.

Новые применения: Уникальные свойства квантовых сетей могут использоваться в самых разных областях, от медицины до финансовых услуг, предлагая новые решения и улучшая существующие процессы.

6. Минимизация оборудования

Для организации квантовых сетей может потребоваться меньше физического оборудования, так как одна квантовая система способна выполнять задачи, требующие множество классических серверов и сетевых устройств.

Проблемы и вызовы квантового интернета

Несмотря на значительные успехи и огромные перспективы, квантовый интернет сталкивается с рядом серьёзных проблем и вызовов, которые необходимо преодолеть для его широкого внедрения и использования. Ниже перечислены основные из них:

1. Проблемы сдержания квантовых состояний

Квантовые состояния очень чувствительны к внешним воздействиям и могут быстро разрушаться (декогерентность). Даже небольшие изменения в окружении могут вызвать потерю квантовой информации, что ставит под вопрос стабильность и надёжность квантовых коммуникаций.

2. Разработка квантовых повторителей

Для передачи квантовой информации на большие расстояния необходимы квантовые повторители, которые могут заново «оцифровывать» и передавать квантовое состояние без его разрушения. Текущие технологии повторителей довольно примитивны и требуют значительных улучшений для обеспечения стабильной и долгой передачи данных.

3. Сложность масштабирования

Создание и управление большой квантовой сетью представляет собой значительную техническую и логистическую проблему. Наладить эффективное взаимодействие большого количества узлов, каждый из которых должен поддерживать квантовые состояния, — задача крайне сложная.

4. Требования к инфраструктуре

Квантовые сети требуют высокоточной и дорогой инфраструктуры, включая специализированное оптоволокно, суперохлаждающие системы для квантовых компьютеров и узлов, а также сенсоры для контроля состояния квантовых частиц. Это делает стартовые инвестиции и эксплуатационные расходы высокими.

5. Трудности в коммерческом внедрении

На данный момент квантовые технологии находятся в стадии активного исследования и разработки. Внедрение квантового интернета в коммерческую эксплуатацию требует решения ряда технических и экономических вопросов, таких как стандартизация технологий, обеспечение безопасности, создание удобных для пользователей интерфейсов и многое другое.

6. Ограничения текущих технологий

Многие из существующих технологий, используемых в квантовой связи, по-прежнему находятся на ранних стадиях развития и требуют значительных улучшений и оптимизации для практического использования. Это касается не только квантовых компьютеров и квантовых повторителей, но и инфраструктуры для передачи квантовых данных.

7. Человеческие ресурсы

Для разработки, внедрения и обслуживания квантовых сетей требуется высококвалифицированный персонал, имеющий глубокие знания в области квантовой физики, компьютерных наук и инженерии. Кроме того, систему образования необходимо адаптировать для подготовки таких специалистов.

8. Обеспечение совместимости с классическими сетями

Интеграция квантовых сетей с существующими классическими сетями представляет собой значительное техническое испытание. Необходимо разработать гибридные системы, которые смогут эффективно взаимодействовать и с квантовыми, и с классическими компонентами сетевой инфраструктуры.

Новый метод построения квантовой сети

Исследователи PME представили новый метод построения квантовой сети, охватывающей США, с использованием вакуумных направляющих лучей, в которых кубиты могут перемещаться на тысячи миль внутри небольших вакуумно-герметичных трубок.

Чтобы воплотить квантовую сеть в реальность, учёные предложили создавать длинные квантовые каналы с использованием вакуумно-герметичных трубок с множеством разнесённых линз.

Исследователи из Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета (PME) предложили новый подход — построение длинных квантовых каналов с использованием вакуумно-герметичных трубок с массивом разнесённых линз. Эти вакуумные направляющие луча диаметром около 20 сантиметров будут иметь дальность действия в тысячи километров и пропускную способность 10 триллионов кубитов в секунду, что лучше любого существующего подхода к квантовой связи. Фотоны света, кодирующие квантовые данные, будут проходить через вакуумные трубки и оставаться сфокусированными благодаря линзам.

“Мы считаем, что такой тип сети осуществим и обладает большим потенциалом, - сказал Лян Цзян, профессор молекулярной инженерии и старший автор новой работы. - Его можно было бы использовать не только для безопасной связи, но и для построения сетей распределённых квантовых вычислений, технологий распределённого квантового зондирования, новых видов телескопов и синхронизированных часов”.

Вакуумный направляющий луч (VBG) представляет собой совершенно другое решение для квантовых каналов, позволяющее преодолеть ограничения существующих оптоволоконных и спутниковых технологий для квантовой связи на большие расстояния. Благодаря массиву выровненных линз, расположенных на расстоянии нескольких километров друг от друга, VBG обеспечивает сверхвысокую прозрачность в широком диапазоне оптических длин волн. При реалистичных параметрах VBG может превосходить лучшее оптоволокно на 3 порядка по скорости затухания. Следовательно, VBG может обеспечивать квантовую связь на большие расстояния, на тысячи километров, с пропускной способностью квантового канала, превышающей 1013  qubit/sec, что на порядки превышает современную скорость квантовой спутниковой связи. Примечательно, что, не полагаясь на квантовые ретрансляторы, VBG может обеспечить наземный квантовый канал с низкими потерями и высокой пропускной способностью, который позволяет использовать новые приложения с распределённой квантовой информацией для вычислений, связи и зондирования.

Отправка кубитов

“Вы не можете передать квантовое состояние по классической сети, - объяснил Цзян. - Вы можете классически отправить часть данных, квантовый компьютер может обработать их, но затем результат снова отправляется классическим способом”.

Некоторые исследователи протестировали способы использования волоконно-оптических кабелей и спутников для передачи оптических фотонов, которые могут действовать как кубиты. Фотоны могут преодолевать небольшие расстояния по существующим волоконно-оптическим кабелям, но, как правило, быстро теряют свою информацию по мере поглощения фотонов. Фотоны, попадающие на спутники и обратно на землю в новом месте, поглощаются меньше из-за космического вакуума, но их передача ограничена поглощением в атмосфере и доступностью спутников.

Учёные, работающие в Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) Калифорнийского технологического института, построили огромные наземные вакуумные трубки для удержания движущихся фотонов света, которые могут обнаруживать гравитационные волны. Эксперименты в LIGO показали, что внутри вакуума, почти не содержащего молекул, фотоны могут перемещаться на тысячи километров.

Вдохновленные этой технологией, Цзян, Хуан и их коллеги начали создавать наброски того, как можно использовать вакуумные трубки меньшего размера для передачи фотонов между квантовыми компьютерами. В своей новой теоретической работе они показали, что эти трубки, при правильной конструкции и расположении, могут переносить фотоны по всей стране. Более того, им потребуется только средний вакуум (давление 10 ^ -4 атмосферы), который намного проще поддерживать, чем сверхвысокий вакуум (давление 10 ^ -11 атмосферы), необходимый для LIGO.

“Основная проблема заключается в том, что при движении фотона в вакууме он немного рассеивается, - объяснил Цзян. - Чтобы преодолеть это, мы предлагаем устанавливать линзы через каждые несколько километров, которые могут фокусировать луч на большие расстояния без дифракционных потерь”.

В сотрудничестве с исследователями из Калифорнийского технологического института группа планирует настольные эксперименты, чтобы проверить практичность идеи, а затем планирует использовать более крупные вакуумные трубки, такие как в LIGO, для работы над тем, как выровнять линзы и стабилизировать пучки фотонов на больших расстояниях.

“Внедрение этой технологии в более крупном масштабе создает определённые проблемы гражданского строительства, которые нам также необходимо решить. Но главное преимущество заключается в том, что у нас есть большие квантовые сети, которые могут передавать десятки терабайт данных в секунду”, - сказал Цзян.

Перспективы квантового интернета

На ближайшие 5 лет

• Продолжение активной работы над созданием и тестированием первых прототипов квантовых интернета. Ведущие исследовательские институты и технологические компании будут разрабатывать и показывать демонстрационные проекты.

• Рост числа опытных установок квантовых сетей в университетах и научных центрах.

• Прогресс в технологиях квантовых повторителей и усилителей, что улучшит передачу данных на большие расстояния.

• Развитие более устойчивых и стабильных кубитов для передачи и хранения квантовой информации.

• Первыми коммерческими пользователями могут стать крупные финансовые институты и государственные организации, заинтересованные в высоко защищённых каналах связи.

• Расширение программ обучения и курсов по квантовым технологиям для подготовки новых специалистов в этой области.

 На среднесрочную перспективу - 10 лет

• Начало более широкого коммерческого использования квантовых сетей. Ожидается, что некоторые корпорации и государственные учреждения начнут использовать квантовые технологии для повышения безопасности и эффективности своих операций.

• Появление пилотных проектов квантового интернета в нескольких крупных городах, где технологии будут тестироваться на реальных городских масштабах.

• Разработка гибридных сетей, которые комбинируют квантовую и классическую инфраструктуру для обеспечения плавного перехода и улучшения общих возможностей передачи данных.

• Принятие первых стандартов и регуляций в области квантовых коммуникаций и квантового интернета, что упростит внедрение технологий на массовом рынке.

• Прогресс в разработке квантовых хранилищ данных, что позволит создавать более надёжные и ёмкие системы для хранения квантовой информации.

 На долгосрочную перспективу - 20 лет

• Широкое распространение квантового интернета. Многие дома, компании и государственные учреждения будут подключены к квантовым сетям.

• Вполне вероятно, что квантовый интернет станет новой нормой, аналогично сегодняшнему классическому интернету.

• Использование квантовых технологий на большинстве объектов критической инфраструктуры для обеспечения высочайших стандартов безопасности.

• Квантовая криптография будет применяться повсеместно, полностью заменяя многие традиционные методы шифрования.

• Расширение возможностей научных исследований, включая моделирование сложных квантовых систем и проведение сложных расчётов на квантовых компьютерах.

• Появление новых технологических решений и инноваций, которые станут возможными благодаря масштабным квантовым сетям.

• Построение глобальной квантовой сети, связывающей континенты и страны, обеспечивающей мгновенную и безопасную передачу данных по всему миру.

• Включение квантовых коммуникаций в космические программы, что позволит улучшить связь с космическими аппаратами и спутниками.

• Развитие новых бизнес-моделей, основанных на квантовых технологиях, включая новые продукты и услуги, оптимизированные для работы в квантовой среде.

• Внедрение квантовых технологий в повседневную жизнь, что существенно изменит многие аспекты социальной и экономической жизни.

Заключение

Перспективы развития квантового интернета обещают значительные изменения в области технологий связи и вычислений. С одной стороны, квантовый интернет может преобразовать текущие модели кибербезопасности и вычислений, а с другой — предоставить платформу для новых инноваций и решений, которые будут иметь далеко идущие последствия для всего общества.

Автор: Максим Будкин