Группа китайских учёных из Университета электронных наук и технологий Китая (UESTC), Университета Цинхуа и Шанхайского института микросистем и информационных технологий создала полупроводниковый источник запутанных фотонов, что может стать «замечательным потенциалом» для создания небольших и надежных квантовых чипов. В основе разработки лежит нитрид галлия (GaN), десятилетиями использующийся для выпуска синих светодиодов.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Запутывание фотонов позволяет защищать передаваемую информацию (квантовое распределение ключей) и выполнять квантовые вычисления или симуляции. И первые, и вторые операции можно выполнять с помощью пар запутанных фотонов. Другое дело, что их запутывание остаётся относительно сложным процессом, требующим особенных источников света, к примеру, на основе нитрида кремния или фосфида индия. Переход на нитрид галлия, хорошо знакомый производителям светодиодов и чипов, позволит шире и мощнее использовать квантовые каналы связи, а также подумать о создании квантовых систем на чипе.

Разработанный китайскими учёными источник запутанных фотонов представляет собой вытравленное на плёнке нитрида галлия кольцо диаметром 120 мкм (сама плёнка выращена на сапфировой подложке традиционным способом). При освещении кольца лучом лазера в инфракрасном диапазоне часть фотонов оказываются в своеобразной ловушке и начинают перемещаться по кольцу. Некоторые из таких частиц становятся резонансными парами. Резонансные пары, в свою очередь в процессе так называемого четвертьволнового смешения — известного явления в нелинейной оптике (кольцо из нитрида галлия — это и есть нелинейный оптический канал), порождают новую пару уже запутанных друг с другом частиц.

Измерения показали, что возникающая в кольце нитрида галлия запутанность такого же качества, как и в случае с другими квантовыми источниками света. Иными словами, предложенное решение можно брать на вооружение при проектировании оборудования для квантовых каналов связи и для квантовых процессоров. Более того, диапазон длин волн у GaN-источника света простирается до 100 нм против 25,6 нм у «традиционных» источников света. А это, в свою очередь, позволит расширить и уплотнить каналы передачи квантовой информации.

По словам разработчиков, помимо квантового источника света, GaN также является многообещающим материалом для изготовления других компонентов квантовых схем, включая лазер с накачкой и детекторы лёгких частиц. «Платформа GaN имеет значительные перспективы для создания квантовых фотонных интегральных схем “всё на кристалле” по сравнению с существующими платформами», — резюмируют учёные.

Чувствительность квантовых состояний к слабейшим внешним помехам продолжает оставаться камнем преткновения на пути к квантовому интернету и распределённым квантовым вычислениям. Решением проблемы станет открытие квантовой памяти, которая позволит сохранять и считывать квантовые состояния без разрушения. Это сняло бы проблему квантовых повторителей и развёртывания глобальных сетей квантового интернета.

Источник изображений: Imperial College London

Группа учёных из Имперского колледжа Лондона предложила свой способ решения этих проблем. Они создали и испытали платформу по записи квантовых состояний фотонов в облаке атомов рубидия. Нейтральные холодные атомы, как хорошо известно, часто выступают в роли платформ с ярко выраженными квантовыми свойствами.

Исследователи создали целую систему для генерации фотонов, преобразования их длин волн в необходимую для передачи по волоконно-оптической сети и записи в облако атомов рубидия. Своеобразным активатором «памяти» стал лазер, импульс которого включал её и отключал. Фотоны генерировались квантовыми точками, а затем с помощью фильтров и модуляторов им придавалась другая частота, соответствующая длине волны 1529,3 нм для передачи по оптике.

До попадания в облако атомов рубидия частота фотонов подвергалась ещё одной корректировке, но уже с прицелом на то, чтобы атомы рубидия могли их поглощать. Такую память назвали ORCA (нерезонансное каскадное поглощение). Лазерный импульс, о котором упоминали выше, своим воздействием менял свойства атомов рубидия по поглощению фотонов.

Эксперименты показали, что система может работать на стандартном оптоволоконном оборудовании. Эффективность сохранения квантовых состояний фотонов с последующим их извлечением без разрушения составила 12,9 %. Очевидно, что для внедрения этой разработки в практику пройдут годы, если не десятилетия, но это уже тот результат, который можно развивать. К счастью, он такой не один и что-то может стать реальностью намного раньше. Например, предложенная датчанами оптико-механическая квантовая память на запоминании квантовых состояний фотонов в фононах. Но это уже другая история.

Группа учёных из Института Нильса Бора (Дания) сообщила о разработке необычной квантовой памяти — «квантового барабана». Это оптико-механическая память, которая запоминает квантовые состояния фотонов в механических (звуковых) колебаниях керамической мембраны — фактически барабана. Подобное устройство может сыграть роль повторителя для передачи запутанных квантовых состояний по сети, сделав квантовый интернет реальностью.

Источник изображения: Julian Robinson-Tait

«Квантовый барабан» представляет собой керамическую пластинку из похожего на стекло материала. В ряде предыдущих исследований учёные доказали, что специальным образом обработанная пластина керамики позволяет сохранять квантовые состояния ударившего в неё лазерного луча (фотонов). Чудесен не сам факт преобразования квантового состояния света в звук (в квазичастицу фонон), а то, что квантовое, по сути, устройство представлено вполне осязаемой деталью — квантовый микромир в этом устройстве воплотился на вполне осязаемом макроуровне, а с этим уже можно и нужно работать.

Барабан хранит квантовое состояние до того момента, когда его можно передать дальше по сети уже в виде фотонов. Это временная память и она категорически нужна для организации повторителей. Ведь нам хорошо известно, что главное достоинство квантовых сетей связи — это чувствительность к перехвату сообщений. Любой перехват «заряжённых» квантовым состоянием фотонов нарушает эти состояния и это служит индикатором о компрометации передачи. Если на магистрали установить классические повторители с переводом «кубитов» в цифру и обратно это даст канал для утечки, ведь цифру можно перехватить и это будет незаметно.

Источник изображения: University of Copenhagen

Чисто квантовые повторители — это проблема современности и их ещё развивать и развивать, или предлагать что-то новое, например, разработанные в Институте Нильса Бора «квантовые барабаны». Без подобных устройств не стоит даже мечтать о всемирной квантовой паутине. Датчане сделали уверенный шаг в нужном направлении. В лаборатории в условиях комнатной температуры они показали, что время жизни квантового сигнала в мембране достигает 23 мс с вероятностью эффективного извлечения 40 % для классических когерентных импульсов.

«Мы ожидаем, что хранение квантового света станет возможным при умеренных криогенных условиях (T≈10 К). Такие системы могут найти применение в новых квантовых сетях, где они могут служить в качестве долгоживущих оптических квантовых накопителей, сохраняя оптическую информацию в фононном [звуковом] режиме», — поясняют разработчики в статье в журнале Physical Review Letters.

В свежем номере престижного журнала Optics Express вышла статья за авторством российских учёных, в которой рассказано о создании спутникового квантово защищённого канала связи длиной 3800 км. После передачи квантового ключа между станциями в Звенигороде и Наньшане в каждую из сторон было передано абсолютно защищённое от перехвата изображение.

Схема установки в Звенигороде. Источник изображения: Optics Express

В основе эксперимента использовался старый китайский спутник «Мо-цзы». Он был запущен Китаем в космос ещё в 2016 году для постановки экспериментов с передачей через космос распределённых квантовых ключей. Традиционно для этого использовались оптические линии передач, что обусловлено используемыми носителями квантовых состояний — фотонами. При перехвате подобных носителей квантовые состояния разрушались, и это сигнализировало о компрометации передачи.

В России первую линию квантовой связи (между банками) запустили ещё в 2017 году. В Китае учёные активнее работают в этом направлении. Например, с помощью защищённой наземной квантовой линии связи была организована диспетчеризация энергогенерирующих мощностей на побережье по командам из Пекина. Для организации глобальной квантовой сети удобно использовать спутники с лазерными каналами, что было реализовано в недавнем российско-китайском эксперименте. Добавим, плюс спутниковых систем в том, что сигнал можно передать на большее расстояние с меньшим затуханием, а это бич оптоволоконных квантовых сетей.

В ходе эксперимента на специально созданной установке из двух телескопов — один для работы с данными, а другой для наведения на спутник — учёными из Университета МИСиС, Российского квантового центра и компании «КуСпэйс Технологии» удалось передать информацию по защищенному квантовому каналу между Россией и Китаем на расстояние 3,8 тыс. км. Сначала станции обменялись квантовым ключом длиною 310 Кбит, а затем, используя шифрование, изображениями размерами 256 × 64 пикселя.

Собранные в процессе организации канала данные будут использованы для дальнейшего развития квантовой связи и, прежде всего, спутниковой, которая пока не используется в коммерческих целях. Китай также опережает другие страны на этом пути. Летом 2022 года на орбиту был выведен спутник квантовой связи нового поколения — Jinan 1 («Цзинань-1»), который обещает передавать квантово защищённые ключи на два–три порядка быстрее платформы «Мо-цзы».

Сеть национальных лабораторий в США работает над созданием квантового интернета, который позволил бы не только обмениваться данными по абсолютно безопасному каналу, но также открыл путь к распределённым квантовым вычислениям. Для этого придётся создать точки ретрансляции состояния кубитов, а это пока очень дорогое мероприятие, ведь каждая из них должна поддерживать температуру около абсолютного нуля. Удешевить инфраструктуру обещает новая технология.

Источник изображения: University of Chicago

Исследователи из Чикагского университета, Аргоннской национальной лаборатории и Кембриджского университета утверждают, что им удалось найти прорывное решение: они буквально растягивают алмаз, изменяя его молекулярную решетку. Растяжение крайне незначительное, но этого оказалось достаточно, чтобы улучшенная структура обзавелась очень и очень многообещающими свойствами.

Как известно, чтобы передать квантовую запутанность для сверхпроводящих кубитов необходимо защитить их от всех возможных помех. Для этого ретранслятор кроме всего прочего должен быть охлаждён до температуры менее одного кельвина. С кубитами на фотонах всё намного проще — там такие запредельно низкие температуры не нужны, что позволяет, например, уже пользоваться сетями с квантовой криптографией в России и в Китае.

Передача квантовых состояний и квантовой запутанности для сверхпроводящих кубитов заставит строить ретрансляторы намного чаще — через 5 или 10 км, что сделает квантовый интернет на этой основе довольно дорогим мероприятием как при развёртывании, так и при эксплуатации.

Изобретение американских учёных обещает увеличить температуру ретрансляторов до 4 К (-269 °C). Незначительное, на первый взгляд, повышение на порядки упростит создание холодильных установок и их обслуживание, заявляют разработчики.

Как создать растянутый алмаз? Достаточно просто. На горячее стекло наносится тончайшая алмазная плёнка. После остывания стекло и алмаз сжимаются, но степень сжатия стекла меньше и оно будет создавать в алмазной плёнке усилие на молекулярное растяжение. Это усилие очень небольшое, но его оказывается достаточно, чтобы структура проявляла улучшенные квантовые свойства. Это проявляется не только в увеличении времени когерентности, но также в возможности управлять кубитами с помощью радиочастот. Кубиты на основе растянутых алмазов становятся менее восприимчивы к помехам и поддаются более простому управлению, что в итоге сделает эксплуатацию квантовых сетей дешевле и доступнее.

Для квантовой связи, криптографии и других целей необходимы источники одиночных фотонов. Это не проблема, но решение требует громоздкого оборудования, включая сильнейшие магниты. Учёным из США удалось упростить задачу и даже создать прибор «два в одном» — он одновременно испускает одиночные фотоны и придаёт им круговую поляризацию. Для передачи закодированных данных нужно просто добавить модулятор и получить на выходе полностью защищённую связь.

Источник изображения: Los Alamos National Laboratory

Традиционно источники одиночных поляризованных фотонов генерировались в сильном магнитном поле. Это неплохо для лабораторий, но совершенно не годится для компактных применений. Группа учёных под руководством исследователей из Лос-Аламосской национальной лаборатории создала прибор, который обходится без мощных магнитов. Для этого учёные соединили два атомарно тонких полупроводника и наделали вмятин в верхнем из них.

Верхний материал представлен слоем диселенида вольфрама (WSe₂), а нижний, чуть более толстый, магнитным соединением трисульфида никель-фосфора (NiPS₃). Вмятины диаметром около 400 нм и глубиной около нанометра делались с помощью атомарно-силового микроскопа. На срезе волоса человека легко поместится около 200 таких углублений. Лунки в материале создают впадины не только физические, но и провалы в потенциальной энергии на плоскости материала. Под действием лазера в эти провалы стекают электроны из диселенида вольфрама и их взаимодействие генерирует одиночные фотоны.

Но под каждой лункой лежит монослой магнитного материала, который задаёт вектор поляризации вылетающим из лунки фотонам. Все генерируемые каждой лункой фотоны бесплатно наделяются круговой поляризацией. А наличие поляризации — это ключ к передаче данных. Надо только научиться модулировать эту характеристику, что, в общем-то, решается относительно просто. Если к такому генератору приделать волноводы, то потоки одиночных поляризованных и промодулированных фотонов можно направить куда угодно — хоть дальше в микросхему для совершения вычислений, хоть в оптический канал связи для передачи на другой край Земли.

«Наше исследование показывает, что монослойный полупроводник может излучать поляризованный свет с круговой поляризацией без помощи внешнего магнитного поля, — говорят авторы работы. — Ранее этот эффект достигался только с помощью мощных магнитных полей, создаваемых громоздкими сверхпроводящими магнитами, путём соединения квантовых излучателей с очень сложными наноразмерными фотонными структурами или путём инжекции спин-поляризованных носителей в квантовые излучатели. Преимущество нашего подхода, основанного на эффекте ближнего взаимодействия, заключается в дешевизне изготовления и надёжности».

«Имея источник, позволяющий генерировать поток одиночных фотонов и одновременно вводить поляризацию, мы, по сути, объединили два устройства в одном», — добавляют учёные.

Компания «Инфотекс» в 2024 году запустит в Томске новый завод по производству оборудования для информационной защиты каналов связи, пишут «Ведомости» со ссылкой на заявление гендиректора компании Андрея Чапчаева. Предприятие поможет производителю расширить выпуск оборудования в 5–10 раз.

Источник изображения: Anton Maksimov / unsplash.com

Сейчас «Инфотекс» в год производит по 100 комплектов квантовых криптографических систем генерации и распределения ключей для защиты информации — в 2023 году 60 из них купила РЖД. Эти системы стоимостью от 112 тыс. до 2 млн руб. используются преимущественно для защиты каналов связи. РЖД выступает куратором по реализации дорожной карты «Квантовые коммуникации», описывающей стратегию развития прикладных продуктов и сервисов до 2030 года.

На магистральных квантовых сетях ставятся промежуточные узлы с оборудованием квантового распределения ключей. Скорость таких сетей растёт год от года, и вместе с ним будет расти спрос на средства их информационной защиты, считают в РЖД — по мере развития региональных сетей и подключением новых абонентов в отрасли появятся и новые игроки. Другим крупным заказчиком «Инфотекса» является «Газпром».

Информационная защита магистральных каналов связи имеет первостепенное значение, говорят опрошенные «Ведомостями» эксперты: вторжение в эту сеть может скомпрометировать сразу все устройства в системе, например, телефоны. Поэтому здесь необходимо защитное оборудование высокого класса. Объём рынка этого оборудования в России на сегодня оценивается в 15 млрд руб., и больше половины этого формирующегося рынка сейчас занимает «Инфотекс». Дополнительным стимулом к росту спроса на это оборудование являются программы цифровизации российской экономики, которые предусматривают квантовую криптографию в отдельных отраслях — эти технологии также присутствуют в стратегиях развития некоторых госорганов и госкомпаний.

Если квантовые компьютеры пойдут по пути развития классических систем, то следующим шагом для них станет объединение в сети, включая глобальные. Необходимо будет передавать квантовые состояния, в частности — запутывать кубиты одного компьютера с кубитами другого. На небольших расстояниях это ещё можно сделать, но обеспечить такую передачу на десятки, сотни и тысячи километров — это задача, требующая особых ретрансляторов. Работу такого показали в Австрии.

Источник изображения: Harald Ritsch/University of Innsbruck

Проблема с ретрансляторами квантовых состояний в том, что любое измерение квантовых характеристик объекта ведёт к коллапсу всех остальных состояний. Такая физика сильно затрудняет квантовое распределение ключей и квантовую криптографию на этой основе. Дополнительно проблему усугубляет тот факт, что передачу квантовых состояний необходимо втиснуть в существующую кабельно-волоконную инфраструктуру — обеспечить работу как на пассивном, так и на активном оборудовании. Если проще — переносящий квантовое состояние фотон требуется сначала перевести в фотон со стандартной для современной телекоммуникации частотой для его передачи по оптике, где свои требования к длинам волн, а затем сделать обратное преобразование.

Осуществить подобный трюк удалось учёным из австрийского Университета Инсбрука. Исследователи собрали ретранслятор запутанности фотонов и показали её «телепортацию» на 50 км. Уточним, речь идёт не о передаче информации, которую можно расшифровать тем или иным способом, а о передаче квантового состояния (обычно речь идёт об измерении спина — ориентации магнитного вектора элементарной частицы). Один из фотонов мог быть 0, 1 или бесконечным множеством промежуточных значений, но при измерении характеристик одного из них, второй мгновенно показывал противоположное значение по измеряемому параметру.

На самом деле, учёные не выносили оптоволокно из лаборатории и использовали бобины с двумя отдельными 25-км отрезками оптического кабеля. Ретранслятор с квантовой памятью соединял эти отрезки посредине. Квантовая память в виде ионов кальция в оптической ловушке (в оптическом резонаторе) играла роль запоминающего устройства на случай потери фотонов в процессе передачи, но главное — она была ключевым элементом в обмене запутанными состояниями между фотонами в одном и другом отрезке оптоволокна.

Каждый из ионов кальция испускал по фотону. Эти фотоны разлетались по своим кабелям (сегментам сети) и при этом оставались спутанными каждый со своим ионом. Перед отправкой фотона в другой конец оптоволокна его преобразовывали в фотон с длиной волны 1550 нм, чтобы он соответствовал действующему стандарту в телекоммуникации. Затем ионы кальция запутывали между собой. Эксперимент показал, что запутывание ионов в ретрансляторе вело к синхронному запутыванию фотонов или, проще говоря, к мгновенной передачи запутанности по оптическому кабелю длиной 50 км.

Согласно проделанным экспериментам, учёные сделали вывод о необходимости ретрансляции квантовых состояний каждые 25 км. Это будет наилучшим образом соответствовать требованиям для сохранения высокой пропускной способности и наименьшей вероятности появления ошибок.

В июньском докладе экспертов Банка международных расчётов (BIS, международная структура со штаб-квартирой в Базеле, Швейцария) угроза со стороны квантовых платформ обозначена главной опасностью ближайших лет. До её опасного воплощения осталось не так долго — порядка семи лет. Некоторые учреждения начали внедрять инструменты для её смягчения, но многим это ещё предстоит сделать. В России, что интересно, эта проблема не возникнет ещё сотни лет.

Источник изображения: rawpixel.com / freepik.com

Эксперты BIS ожидают, что полноценные квантовые компьютеры появятся в течение ближайших 10–15 лет. Они станут самой опасной угрозой для безопасности банковских данных по всему миру. На дешифровку зашифрованных традиционными методами данных с помощью RSA и ECC им понадобятся часы или даже минуты, на что традиционным компьютерам необходимы тысячи лет. Квантовые алгоритмы и особенно хорошо известный алгоритм Шора легко раскладывают (факторизуют) большие числа на простые множители и тем самым намного быстрее, чем на классическом компьютере, расшифровывают ключ или сообщение.

Другое дело, что для факторизации криптографически значимых (длинных) ключей требуются квантовые системы из сотен тысяч или даже из миллионов кубитов. Маловероятно, что такие квантовые платформы появятся в обозримом будущем. И здесь подстерегает другая опасность. Чувствительные данные можно записать сейчас, а вскрыть через 10 или больше лет. К банковским транзакциям этот метод неприменим, но для целого спектра информации, включая личную и гостайну, это вполне рабочий вариант. Китай, кстати, по некоторой информации уже накапливает данные для взлома в будущем.

В конце прошлого года тревожной новостью стало сообщение о возможности кратно ускорить работу алгоритма Шора. Об этом также сообщили китайские исследователи. На опытной 10-кубитовой платформе они смогли взломать 48-битный ключ RSA. Тем самым они предсказали, что использующийся сейчас массово в банковском и других секторах ключ RSA длиной 2048 бит может быть взломан системой из 372 кубитов, а это очень и очень близкое будущее.

Позже специалисты Fujitsu опровергли эти опасения, показав, что для быстрого взлома RSA-2048 всё-таки нужен квантовый компьютер с не менее чем 10 тыс. кубитов и 2,25 трлн связанных с ними вентилей (логических элементов). Это явно не завтрашний и даже послезавтрашний день, но угроза от этого мягче не станет, когда её время придёт.

Для смягчения квантовых угроз эксперты BIS призывают переходить на постквантовое шифрование (в простейшем случае — это увеличение разрядности RSA-ключей) и новое оборудование, в частности, на квантовую криптографию, которая устранит опасность перехвата чувствительной информации. К примеру, в рамках проекта «Скачок» (Project Leap) ранее была реализована передача платёжного сообщения в формате XML между Банком Франции и Немецким федеральным банком через квантово защищённую сеть VPN по протоколу IPsec, сообщается в докладе, который цитирует издание «Ведомости».

Также в BIS утверждают, что большая часть центральных банков в мире уже имеют возможности по введению постквантовых алгоритмов, хотя им требуются дополнительные оценки, чтобы понять, какие системы могут быть наиболее уязвимыми к угрозам хакерских атак с квантовых устройств. Это означает, что к 2025 году в большинстве центробанков наравне с обычными алгоритмами шифрования будут активно использоваться постквантовые алгоритмы.

Бизнес-консультант по информационной безопасности Positive Technologies Алексей Лукацкий напомнил, что на одной из прошлых конференций по кибербезопасности RSA Conference прозвучал прогноз о начале взлома обычных ключей квантовыми системами уже с 2027 года. Поэтому множество международных компаний давно и эффективно работают над алгоритмами постквантовой криптографии. Там совсем новая математика, и она рассчитана на «умное» противодействие квантовым алгоритмам взлома.

По оценкам ФСБ, на которые также ссылается специалист Positive Technologies, российские криптографические алгоритмы в обозримом будущем неподвластны квантовым компьютерам, и пройдёт как минимум сотни лет, прежде чем риски станут актуальными. В то же время самыми уязвимыми к квантовому взлому остаются алгоритмы передачи данных между операторами и ЦОД, системы электронного документооборота, информационно-аналитические системы, онлайн-банкинг и платёжные терминалы, а также инфраструктура электронных подписей.

По оценкам BCG 2022 года, вероятность осуществления хакерской атаки на финансовый институт примерно в 300 раз выше, чем на организации другого типа, а данные S&P Global говорят о том, что шансы атак растут вместе с размерами финансовой организации. Прямыми убытками чреват даже сам факт взлома без кражи данных или иных потерь, что подорвёт доверие клиентов к банковским услугам и механизмам.

Так, в марте этого года S&P провело моделирование успешной атаки на крупный европейский банк (с доходом более 1 млрд евро). В худшем случае это привело бы к прямым убыткам в размере около 7 % капитала без учёта репутационных потерь и недополученной в будущем прибыли. Что будет происходить в случае настоящей атаки, можно только догадываться. Иногда реальность в своём воплощении превосходит даже худшие воображаемые кошмары.

Швейцарские физики поставили эксперимент, который может служить почти абсолютным доказательством существования эффекта квантовой запутанности. Этот вопрос крайне смущал многих физиков прошлого века, включая Альберта Эйнштейна, и был предметом постоянных споров. Для нового эксперимента построили 30 метров вакуумной трубы с криогенным охлаждением, чтобы фотон как можно дольше летел от одной запутанной частицы к другой и не успел вмешаться в измерения.

Устройство 30-м трубы из эксперимента с волноводом посередине. Источник изображения: ETH Zurich/Daniel Winkler

Эйнштейн не мог смириться с мыслью, что квантово запутанные частицы мгновенно влияют друг на друга на условно бесконечных расстояниях. В таком случае они должны «передавать информацию» быстрее скорости света. По его мнению, мы просто не всё знаем о квантовой физике, и могут быть какие-то скрытые параметры, которые уже содержатся в характеристиках частицы и выдаются в ответ на измерение свойств одной из запутанных частиц.

Например, если мы измерили направление спина одного из пары запутанных фотонов, то информация о спине второго (оно будет противоположным по направлению) становится известна мгновенно, где бы этот второй фотон из пары не находился. Это также называют эффектом квантовой телепортации.

Для определения системы на наличие скрытых параметров в 60-х годах прошлого века физик Джон Белл предложил мысленный эксперимент, который уже в семидесятые годы поставил Джон Клаузер (за что ему, в частности, была присуждена Нобелевская премия по физике за 2022 год). В классической системе (нашем с вами мире) неравенства Белла соблюдаются всегда, тогда как в квантовом мире они нарушаются.

Если применить неравенства Белла к запутанным частицам, то случайное измерение двух запутанных частиц одновременно должно либо удовлетворять неравенствам, либо нарушать их. В последнем случае это будет доказательством, что никаких скрытых параметров нет и частицы «передают информацию» по законам квантовой физики — быстрее скорости света.

Учёные из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) создали криогенную установку, в которой фотон путешествует дольше, чем ведутся локальные измерения связанных частиц. По 30-м трубе в вакууме с охлаждением до -273°C микроволновый фотон пролетает с одного конца в другой за 110 нс. Измерения длились на несколько наносекунд быстрее. Никакая информация по классическим законам не могла передаться за это время, тогда как эффект квантовой запутанности частиц себя полностью проявил.

До этого применение неравенств Белла предполагало лазейки в постановке экспериментов. Устранить все спорные места мог только эксперимент, в ходе которого измерения должны проводиться за меньшее время, чем требуется свету, чтобы пройти от одного конца к другому — это доказывает, что между ними не было обмена информацией.

«В нашей машине 1,3 [тонны] меди и 14 000 винтов, а также огромное количество знаний по физике и инженерных ноу-хау», — сказал квантовый физик из ETH Zurich Андреас Валлрафф (Andreas Wallraff).

У поставленного эксперимента была и другая цель — убедиться, что сравнительно большие сверхпроводящие системы могут обладать квантовыми свойствами. В опыте участвовали две сверхпроводящие схемы, которые играли роль связанных частиц, тогда как обычно речь идёт о запутывании элементарных частиц типа электронов, фотонов или атомов. В эксперименте использовались объекты нашего большого мира, и они отыграли по законам квантовой физики.

Это означает, что на основе сверхпроводящих макросистем можно строить квантовые компьютеры, осуществлять квантовую связь и делать много другого интересного не углубляясь до таких тонких и пугливых (сверхчувствительных) материй, как элементарные частицы. В этом скрыт небывалый потенциал, который учёные намерены разрабатывать дальше.

Скорость квантовой связи или распределения квантовых ключей зависит от многих факторов, и одним из них является скорость детектирования одиночных фотонов. Современные детекторы способны регистрировать до 800 млн фотонов в секунду, что хорошо, но мало. Специалисты Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) смогли установить новый рекорд, разработав однофотонный детектор с производительностью 1,5 млрд фотонов в секунду и это не предел.

Датчик подсчёта фотонов Performance-Enhanced Array for Counting Optical Quanta (PEACOQ). Источник изображения: JPL-Caltech/NASA

Ряд схем квантовой связи опираются на способность обнаружить и обработать оптический сигнал на уровне одного фотона. В процессе детектирования с высочайшей точностью регистрируется время прихода каждого фотона (кванта электромагнитной энергии). По мере роста скорости передачи квантовой информации детекторы также должны увеличивать свою производительность, не теряя в эффективности и чувствительности.

Наиболее перспективной платформой для достижения сверхвысоких скоростей подсчёта фотонов считаются детекторы на основе сверхпроводящих нанопроволок. Детектор охлаждается до температуры близкой к абсолютному нулю. Нанопроволока поглощает фотон и нагревается на величину поглощённой энергии. Тем самым электрическое сопротивление нанопроволоки изменяется и это отражается на величине текущего через неё тока. Регистрация времени этого изменения обеспечивает точную привязку к времени прихода фотона.

Эффективность обнаружения фотонов таким способом одна из самых высоких среди всех известных методов и достигает 98 %. Также нанопроволоки интересны тем, что способны обнаруживать фотоны на длинах волн от среднего инфракрасного до ультрафиолетового. Но у всего этого есть один недостаток, который не позволяет увеличить скорость подсчёта, скажем, выше 800 млн фотонов в секунду. Мешает этому процессы отвода тепла от нанопроволок после поглощения фотонов — на это банально требуется время, в течение которого детекторы остаются слепы.

Именно это ограничение пытались преодолеть физики из JPL, когда предложили свою конструкцию детектора в виде хвоста павлина. Да, они его так и назвали — PEACOQ (Performance-Enhanced Array for Counting Optical Quanta). Детектор PEACOQ достиг максимальной скорости счёта около 1,5 млрд фотонов в секунду, сохраняя при этом высокую эффективность и низкий уровень шума.

Секрет кроется в 32 прямых сверхпроводящих нанопроводах, веером расходящихся из центра детектора, как павлиний хвост. Регистрация фотонов происходит параллельно (независимо) каждой нанопроволокой с временным разрешением менее 100 пс. В ходе экспериментов с новым датчиком максимальная скорость регистрации фотонов достигала 1,5 млрд в секунду, что почти в два раза превышает возможности современных счётчиков фотонов.

Усложнение датчика незначительно снизило эффективность детектирования, но не ниже 78 % в режиме максимальной нагрузки. Дальнейшие исследования будут направлены на увеличение этого параметра. Но даже в таком виде квантовая связь может получить толчок в развитии, если датчики PEACOQ найдут путь к разработчикам устройств квантовой связи.

Покупателями первых телефонов с квантовой связью, выпускаемых компанией «ИнфоТеКС» и оценённых ориентировочно в 40 млн рублей, могут стать РЖД и «Газпром». Внедрение таких устройств связи может состояться уже в следующем году и позволит существенно повысить конфиденциальность переговоров.

Источник изображения: FLY:D/unsplash.com

Как сообщает РБК, фактически квантовые телефоны ViPNet QSS представляют собой комплексы, включающие сервер или рабочую станцию с интегрированной квантовой системой выработки и распределения ключей и IP-телефон с интегрированным средством криптографической защиты информации. Для звонка необходимо наличие у собеседника аналогичной системы. Обе должны быть подключены к распределительному узлу квантовой сети по линиям связи с «тёмной» оптикой и заданными характеристиками. Хотя такая связь обеспечивает повышенную защиту информации, считается, что она чувствительна к перепадам температуры, сейсмической активности и ряду других факторов.

Непосредственным производством комплексов занимается компания «ИнфоТеКС», а разработчиком выступает Центр компетенций НТИ на базе МГУ им. М.В. Ломоносова. По словам заместителя генерального директора «ИнфоТеКСа» Дмитрия Гусева, первыми покупателями систем, вероятно, станут РЖД и «Газпром», уже проводящие испытание технологии.

Первая версия квантового телефона была представлена ещё в 2017 году, тогда же МГУ и «ИнфоТеКС» получили субсидию на создание соответствующей аппаратуры. В мае 2019 года состоялся сеанс квантово-защищённой связи, но на тот момент «интерес потенциальных заказчиков ещё не успел оформиться в готовность приобрести подобные продукты». Если раньше сообщалось, что инвестиции «ИнфоТеКСа» в проект составят около 700 млн рублей, а сами системы будут стоить по 30 млн рублей, то теперь цены изменились.

Известно, что на сертификацию квантово-криптографической системы ушло около двух лет — теперь система допущена к продаже и поддерживает голосовые беседы и передачу файлов , а очень скоро появится и возможность видеоконференцсвязи.

Источник изображения: Sigmund/unsplash.com

Достоверных данных о стоимости одного комплекса нет, но источники РБК сообщают о 40 млн рублей, а Дмитрий Гусев ограничился примером, согласно которому защита одного сегмента квантовой сети протяжённостью около 100 км будет стоить «несколько десятков миллионов рублей», но при масштабировании проекта стоимость будет снижаться.

При этом он отметил, что госструктуры могут использовать сертифицированные средства защиты информации, а прочие потенциальные клиенты в теории могли бы применять зарубежные квантовые решения при их появлении, но вряд ли кто-то будет готов продавать их российским компаниям из-за санкций.

В РЖД и «Газпроме» новости не комментируют. Известно, что компании проявляли повышенный интерес к соответствующим решениям ещё пару лет назад. По мнению Гусева, в следующем году может появиться до десяти клиентов, внедривших телефоны производства «ИнфоТеКСа». Вероятно и дальнейшее масштабирование сети, на которой тестировалась технология — квантовые телефоны соединяют кампусы МГУ на Ленинских горах и Моховой улице и головной офис «ИнфоТеКСа» в Отрадном. Не исключено, что в будущем к сети подключатся и другие участники.

Возможно использование квантовых телефонов крупными нефтегазовыми, энергетическими и телекоммуникационными компаниями, а также спецслужбами страны и другими ведомствами, для которых секретность имеет критическое значение. В перспективе же система может быть востребована и банками, медицинскими, транспортными и другими учреждениями. Известно, что помимо «Газпрома» и РЖД, интерес к технологии проявляли в «Ростелекоме», «Росатоме» и Сбере.

В 2021 году сообщалось о начале работы между Москвой и Санкт-Петербургом линии защищённой квантовой связи протяжённостью около 700 км, в создании которой участвовали Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, ООО «Специальный технологический центр», ООО «СМАРТС-Кванттелеком» и ООО «Амикон».

Квантовое распределение ключей или квантовая криптография представляются абсолютно защищёнными от перехвата. Однако скорость генерации ключей, в основе чего лежит запутывание пар фотонов, всё ещё очень и очень низкая. Возможно, к прорыву на этом направлении подошли китайские учёные. Новый метод запутывания фотонов оказался намного эффективнее традиционного способа.

Источник изображения: Pixabay

В современном квантовом распределении ключей пару связанных фотонов получают с помощью так называемого спонтанного параметрического рассеяния, когда лазером «светят» на определённый кристалл. С небольшой вероятностью — один случай на десятки миллионов — пара фотонов связывается, что означает возникновение равенства их волновых функций. Будучи разнесёнными на большие расстояния, связанные фотоны продолжают «чувствовать» друг друга. Измерение состояния одного из них моментально сказывается на другом. Поэтому незаметно перехватить зашифрованный такими фотонами ключ невозможно — об этом сразу же становится известно.

В свежей статье в издании Nature Photonics команда исследователей из Университета науки и технологий Китая в юго-восточной провинции Аньхой сообщила, что смогла довести технологию гарантированного получения связанных пар фотонов до 27 %, что кратно превышает все известные до этого методы.

В основе предложенного способа лежит технология создания «суператома» — кластера из сотен обычных атомов, свойства которого повторяют свойства составляющих его атомов. Свой «суператом» учёные собрали из атомов рубидия. Поле этого один из атомов кластера доводили до возбуждённого состояния, известного как состояние Ридберга (ридберговские атомы). По мере накачки ридберговского атома энергией он увеличивался и начинал взаимодействовать с соседними в кластере атомами. Это проявлялось в том, что энергетические уровни соседних атомов смещались вплоть до возникновения состояния запутанности между одной из пар.

В серии экспериментов учёные добились генерации пар запутанных фотонов с эффективностью 27 %. В идеальных условиях, уверены исследователи, эффективность предложенного метода может достигать 100 %, что способно подтолкнуть науку как по пути развития квантовых вычислений, так и квантовой связи.

Уже в следующем году Россия может вывести на орбиту свой первый космический аппарат с оборудованием на основе квантовых технологий. Об этом сообщил заместитель директора Центра компетенций НТИ по направлению «Квантовые коммуникации» НИТУ «МИСиС» Игорь Павлов.

Источник изображений: pixabay.com

Спутнику предстоит распределять квантовые ключи между Москвой и Владивостоком. Они будут использоваться для шифрования информации, которая затем сможет передаваться по различным каналам: посредством мобильной и спутниковой связи, а также через проводные линии.

«Мы в рамках работ по НТИ делали наземный приёмник, и также у нас есть партнёр — компания, которая занимается как раз разработкой оборудования для спутника. Спутниками у нас занимаются "Роскосмос", "Газпром космические системы", а мы разрабатываем оборудование, которое на спутник будет устанавливаться. Первые запуски будут, наверное, в 2023 году уже», — приводит «Газета.Ru» заявления господина Павлова.

В ближайшие пять лет запуски квантовых спутников будут осуществляться в академических целях — для оценки финансовых затрат и тестирования технологии. Затем может быть принято решение о покрытии такой сетью всей территории России.

Добавим, что квантовые коммуникации обеспечивают высочайшую степень защиты информации. Дело в том, что незаметно похитить данные, передающиеся по квантовым каналам, невозможно в силу фундаментальных законов физики.

Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт) сообщает об успешном проведении эксперимента по использованию квантовой криптографии для обеспечения информационной безопасности канала синхронизации источника эталонных сигналов времени с оборудованием потребителей.

Источник изображения: pixabay.com / geralt

Речь идёт о новой технологии защиты атомных часов от кибератак. Часы эталона отражают результат с точностью до миллиардной доли секунды и используются для настройки и синхронизации времени энергетическими и логистическими компаниями, службами аэропортов и вокзалов, системой ГЛОНАСС, а также банками и фондовой биржей. В этих сферах ошибка даже на миллисекунду может обернуться ущербом в сотни миллионов рублей.

В проведённом эксперименте приняли участие специалисты подведомственного Росстандарту ФГУП «ВНИИФТРИ», компаний «Код Безопасности» и QRate. Была проведена синхронизация двух серверов времени с использованием алгоритма квантового распределения ключей, предложенного QRate.

Результаты работы подтвердили высокий уровень защищённости информации об эталонном времени от кибератак с использованием классических и квантовых компьютеров и применимость новых алгоритмов для защиты систем синхронизации времени.

«Использование отечественных решений и разработок, предлагаемых специалистами в рамках данного проекта, позволит максимально повысить защищённость каналов передачи эталонных сигналов времени и частоты и минимизировать потребителям вынужденные корректировки данных при работе», — подчёркивают специалисты.