Сегодня 16 апреля 2024
18+
MWC 2018 2018 Computex IFA 2018
реклама
Теги → квантовая сеть
Быстрый переход

Учёные из России и Китая установили спутниковый квантово защищённый канал связи длиной 3800 км

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:

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».

В России улучшили производство оптоволокна — теперь оно подойдёт для квантовой связи

Модернизация оборудования и подбор режимов производства оптоволокна специалистами холдинга «Швабе» Госкорпорации «Ростех» позволили получить образцы продукции повышенного качества с таким набором характеристик, который позволит использовать оптоволокно в системах квантовой связи и не только. Эта сфера оставалась отчасти зависимой от импорта и вскоре она может получить полную или близкую к ней локализацию в России.

 Источник изображения: «Ростех»

Источник изображения: «Ростех»

Непосредственно исследованием технологического процесса и вопросами его подстройки занимались специалисты Государственного оптического института им. С.И. Вавилова (НПО ГОИ). В частности, была усовершенствована вытяжная башня производственной линии и её составляющие, а также были определены оптимальные режимы вытягивания закрученных микроструктурированных оптических волокон. Как итог, на производственных линиях были установлены наиболее оптимальные режимы, включая температуру в печи, скорость вытяжки, вращения, давления и другие.

«Разрабатываемые оптические волокна являются достаточно сложной, с точки зрения практической реализации, структурой. Модернизация производства уже доказала свою эффективность — нам удалось изготовить серию опытных образцов с высокоинтенсивной продольной закруткой 790 оборотов на метр. При этом новая технология позволит создавать волокно с экстремально наведенной закруткой до 1000 оборотов на метр, что значительно улучшит качество передачи сигнала», — отметил временный генеральный директор НПО ГОИ Кирилл Самсонов.

Выпущенные на модернизированном оборудовании оптические волокна отличаются качеством передачи сигнала и имеют особые оптические и механические характеристики, что делает их востребованными для систем квантовой связи. Также у улучшенного оптоволокна есть другие применения — в качестве сенсоров волоконно-оптических датчиков для регистрации механических воздействий, магнитного поля электрического тока, как модовые фильтры и другие.

Оптоволокно — это один из немногих высокотехнологических видов продукции, производство которого приближается к 100-процентной локализации. Но это не означает, что стремиться больше не к чему. Набирает обороты та же квантовая связь, что потребует больше и больше оптических волокон с улучшенными свойствами.

Amazon займётся выращиванием алмазов для создания квантовых сетей

Компания Amazon совместно с одним из подразделений компании De Beers Group наладит выращивание алмазов с заданными характеристиками — их планируется использовать для революционного изменения компьютерных сетей. Группа Element Six, входящая в De Beers, будет работать с Центром квантовых сетей Amazon Web Services (AWS), создавая решения нового поколения для безопасной передачи данных на длинные дистанции.

 Источник изображения: ColiN00B/pixabay.com

Источник изображения: ColiN00B/pixabay.com

Квантовые сети используют субатомную материю для доставки данных способом, принципиально отличающимся от того, что применяется в современных оптоволоконных системах. Считается, что алмазы станут частью этой системы — они позволят отправлять данные на более протяжённые расстояния без сбоев.

Если обычные ретрансляторы не могут передавать информацию в виде кубитов, то новое оборудование может обеспечить революционными возможностями сети AWS, которая является поставщиком облачных вычислительных сервисов — на них приходится немалая часть прибыли Amazon. По оценкам экспертов компании, технологию начнут использовать «через годы, а не десятилетия», как предполагалось ранее.

Поскольку Amazon владеет значительной долей на рынке облачных вычислений и хранилищ информации, компания намерена с помощью защищённой квантовой связи сохранять лидерство в критически важных для себя сферах, что обеспечит ей преимущество перед конкурентами вроде Microsoft и Google. В Element Six надеются найти новое применение промышленным алмазам, которые ценятся за твёрдость и возможность работать в качестве линз. Их использование в квантовых решениях может открыть большие возможности для De Beers.

Широкое распространение квантовых сетей потребует большого числа специальных компонентов, включая специализированные алмазы. Сообщается, что Element Six недавно открыла завод в США, позволяющий создавать до 2 млн подобных элементов ежегодно с помощью технологии химического осаждения из паровой фазы.

Алмаз представляет собой одну из разновидностей углерода, благодаря своей кристаллической структуре это один из самых твёрдых и теплопроводных материалов, встречающихся в природе. В натуральных алмазах встречаются вкрапления других химических элементов вроде атомов азота, влияющих на цвет камней, а учёные считают, что подобные, но только искусственно упорядоченные вкрапления могут способствовать их использованию в качестве ретрансляторов в квантовых сетях.

Кроме того, их массовое производство может помочь распространению квантовых вычислений — сети должны подключаться к квантовым компьютерам, работающим на родственных технологиях, что и позволит создавать целые вычислительные сети невообразимой сегодня производительности.

Учёные стали ближе к реализации настоящей квантовой телепортации данных — мгновенной связи через червоточины без передачи энергии

Классическая квантовая телепортация — это условность, которая требует параллельной передачи данных по обычным каналам связи. Телепортацией она называется потому, что квантовая информация разрушается в одном месте и как бы мгновенно возникает в другом: одна из двух спутанных частиц исчезает, а её квантовое состояние с помощью обычной связи воспроизводится в другой далеко отнесённой частице. Оказалось, телепортация допускается без всяких условностей: раз — и там!

 Источник изображения: Andrew Mueller/INQNET

Источник изображения: Andrew Mueller/INQNET

Теорией прямой телепортации квантовой информации без переноса частиц или энергии занимается физик Хатим Салих (Hatim Salih) из Бристольского университета в Великобритании. У этого учёного был ряд публикаций в мировых научных журналах и новая работа также отмечена публикацией в журнале Quantum Science and Technology. Ранее он предложил несколько протоколов и экспериментов для доказательства существования «контрфактической коммуникации» — связи, которая не может быть объяснена существующими практикой и теориями обычной и квантовой физики.

В своей новой работе физик доказывает, что пара спутанных частиц способна мгновенно передавать квантовую информацию без «костылей» в виде обычных каналов связи — это явление он предлагает называть контрпортацией (counterportation). По крайней мере, в теории всё обещает работать, но учёный рассчитывает дойти до постановки эксперимента (и подобного рода эксперименты уже ставятся, о чём мы также рассказывали).

«Хотя контрпортация достигает конечной цели телепортации, а именно развоплощённой транспортировки [информации], она удивительным образом делает это без каких-либо обнаруживаемых носителей информации, путешествующих через границу, — говорит физик. — Если контрпортация будет реализована, необходимо будет построить совершенно новый тип квантового компьютера: безобменный, в котором общающиеся стороны не обмениваются частицами».

Согласно выкладкам Салиха, пара связанных частиц взаимодействует посредством частного случая моста Эйнштейна–Розена. Это вариант червоточины или прокола в пространстве-времени. Система взаимодействия описывается известными уравнениями и имеет право на существование. Традиционно червоточины описывали с позиций чёрных дыр, поскольку это явления одного порядка. Но кто говорит, что это исключительно астрофизические объекты? Червоточина в пределах одного квантового компьютера может обеспечить безэнергетическую связь для передачи данных между кубитами, квантовыми процессорами и кластерами, а в масштабах страны — и квантового интернета.

«Цель ближайшего будущего — физически построить такую червоточину в лаборатории, которая затем может быть использована в качестве испытательного стенда для конкурирующих физических теорий, даже теорий квантовой гравитации», — уверен учёный, и подробно доказывает подобную возможность в своей статье, полностью доступной по ссылке.

В NASA разработали счётчик фотонов с рекордной скоростью работы — это значительно ускорит квантовую связь

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.

 Источник изображения: Ryan Lannom, JPL-Caltech/NASA

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.

Российские квантовые телефоны первыми начнут использовать РЖД и «Газпром»

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

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

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».

Китай запустил спутник квантовой связи нового поколения — это первый шаг к развёртыванию глобальной защищённой сети

Вчера новая китайская твердотопливная ракета «Лицзянь-1» вывела на орбиту шесть экспериментальных спутников, один из которых оказался спутником квантовой связи нового поколения. Несколько таких спутников обеспечат глобальную сверхзащищённую сеть для 100 абонентов в любом уголке Земли. Подобной системы связи нет ни у кого в мире. Китай станет первой страной с абсолютно защищёнными глобальными коммуникациями.

 Источник изображения: SCMP

Источник изображения: SCMP

Квантовое распределение ключей гарантирует высочайшую степень защиты информации. Ключи кодируются в квантовых состояниях элементарных частиц, в частности — фотонов, и сразу же компрометируются при попытке перехвата. Это фундаментальное свойство квантовой механики, обойти которое невозможно в силу непреложности законов физики. Такие системы передают информацию одиночными фотонами, что требует уникальной аппаратуры. И тем более это касается спутниковых платформ, ключи на которые надо передать по оптическому каналу в снег, дождь, туман и даже днём, когда Солнце глушит всё на свете.

Первый в мире спутник для квантового распределения ключей в космос запустили китайцы ещё в 2016 году. С тех пор этот более чем 600-кг аппарат — Mozi («Мо-цзы») — был неоднократно испытан в деле и доказал работоспособность концепции. Новый спутник квантовой связи — Jinan 1 («Цзинань-1») — весит всего 100 кг и может генерировать квантово-распределённые ключи со скоростью на два–три порядка быстрее, чем «Мо-цзы».

Аппарат «Мо-цзы» из-за помех со стороны Солнца не мог работать днём. Новый спутник может работать днём и ночью в любую погоду, генерируя одиночные фотоны и успешно запутывая их для создания квантово-защищённых каналов связи. В ближайшее время Китай планирует вывести на орбиту ещё несколько подобных спутников, чтобы создать глобальную квантовую сеть минимум для 100 абонентов одновременно из любых уголков Земли.

«Это также важный шаг. Благодаря ему Китай стал первой страной в мире, достигшей квантового распределения ключей в режиме реального времени между спутником и Землёй с помощью микро-нано спутника и миниатюрных наземных станций», — говорится в заявлении.

Отметим, спутники по типу «Цзинань-1» будут выводиться на низкую околоземную орбиту, что потребует целой группировки, но создаст каналы с высокой скоростью реакции и передачи. Покрыть всю Землю всего тремя спутниками квантовой связи можно лишь разместив платформы на геостационарную орбиту на высоту до 36 тыс. км. Проблемой остаётся низкая скорость связи с такими платформами с точки зрения скорости генерации ключей. Выходом может стать создание пула из постоянно генерируемых ключей, над чем в Китае также ведутся работы.

В Шотландии откроют центр изучения глобальной квантовой связи

Великобритания движется к созданию первого центра для натурных испытаний спутниковой связи с квантовым распределением ключей. На заброшенном аэродроме Эррол в Шотландии на месте бывшей станции для связи со спутниками создадут передовой центр для изучения проблем глобальной связи с квантовым шифрованием.

 Источник изображения: Heriot-Watt University

Источник изображения: Heriot-Watt University

В разработке и практической реализации квантово-защищённых спутниковых каналов связи дальше всех продвинулся Китай. Передачу данных с квантовым распределением ключей между Землёй и спутником Китай испытал первым в мире ещё в 2017 году, а в прошлом году сеть квантовой связи с использованием спутникового сегмента успешно испытали для удалённого управления энергораспределительной сетью на востоке страны.

Сегодня сети с квантовым распределением ключей для шифрования данных используют квантовые состояния фотонов. Из этого следует, что аппаратура для передачи данных базируется на лазерах и оптических приёмниках. Поэтому на наземной станции Данди (DSS) на аэродроме Эррол будет установлен 70-см роботизированный зеркальный телескоп, который будет следить за спутниками связи на низкой околоземной орбите.

Почти абсолютная надёжность связи с использованием квантового распределения ключей опирается на то, что квантовые состояния фотонов (данные) невозможно перехватить не изменив их. Это так называемый эффект наблюдателя в квантовой системе, когда измерение чего-либо нарушает принцип неопределённости Гейзенберга. Поэтому любое вмешательство в канал передачи квантовых ключей будет моментально вскрыто и позволит избежать приёма скомпрометированной информации.

Британский проект является совместным предприятием DSS и исследователей Hub в Университете Гериот-Ватт. Исследовательская установка будет разработана в рамках проекта Quantum Communications Hub, финансируемого через Национальную программу квантовых технологий Великобритании. Его цель — обеспечить квантовую безопасность на всех расстояниях, включая межконтинентальную связь через спутник. Позже к участию в проекте пригласят учёных из других университетов.


window-new
Soft
Hard
Тренды 🔥
Apple разрешила пользователям из ЕС скачивать приложения с сайтов разработчиков 2 ч.
В столице Саудовской Аравии пройдёт киберспортивный турнир Esports World Cup с рекордно крупным призовым фондом — более $60 млн 2 ч.
Nintendo анонсировала новую презентацию Indie World Showcase — фанаты Hollow Knight: Silksong напряглись 3 ч.
Nvidia выпустила драйвер с поддержкой Manor Lords и No Rest for the Wicked 4 ч.
Инсайдер раскрыл, когда анонсируют Mafia 4 4 ч.
В Steam стартовало тестирование REDkit — редактора модов для The Witcher 3: Wild Hunt с «почти безграничной свободой» творчества 5 ч.
По мотивам «Неуязвимого» выйдет жестокая AAA-игра от команды ветеранов Activision, Blizzard, EA и Epic Games — первые подробности 6 ч.
Microsoft инвестирует $1,5 млрд в арабский холдинг G42 для развития ИИ в ОАЭ и по всему миру 6 ч.
Вышла российская ОС «МСВСфера» 9 — альтернатива RHEL и Oracle Enterprise Linux 7 ч.
Android 15 добавит смартфонам поддержку беспроводной зарядки через NFC 7 ч.