По мере развития квантовые технологии охватывают всё новые сферы, хотя ранее они были представлены в основном в криптографии и вычислениях. На очереди — квантовые датчики, которые позволят выполнять безопасные измерения на расстоянии без опасений перехвата или искажений.

Источник изображения: Pixabay

Безопасность при проведении дистанционных измерений важна для создания высокоточных квантовых радаров, систем космического базирования, мониторинга состояния пациентов в домашних условиях и других сфер, где критичны как точность измерений, так и их защищённость. Этой темой в последние годы активно занимаются учёные из британского Университета Сассекса (University of Sussex).

Недавно в журнале Physical Review A вышла новая статья, в которой исследователи рассказали о возможных схемах реализации защищённых измерений с помощью упрощённых квантовых датчиков. В базовой конфигурации даже не требуется запутывать кубиты — всё реализуется гораздо проще, хотя эффект запутывания позволяет значительно повысить точность измерений.

Основная идея технологии SQRS (безопасного квантового дистанционного зондирования) заключается в том, что в пункт проведения измерений отправляются одиночные фотоны. Они доставляются по открытым классическим каналам, например, через оптоволокно или лазерный луч, если речь идёт о передаче на спутник. В пункте назначения фотоны приобретают сдвиг фазы в соответствии с измеряемыми данными и затем возвращаются отправителю по тем же открытым каналам.

В предложенной схеме получить результат может только отправитель, поскольку он владеет полной информацией о квантовых состояниях отправленных фотонов. Получатель в точке измерения не сможет определить величину сдвига фазы, так как у него нет опорных данных для вычислений. Злоумышленник, сумевший перехватить такие фотоны, также не сможет восстановить переданное сообщение, поскольку на этапе измерения (в момент сдвига фазы) вносится дополнительная квантовая неопределённость.

Учёные из Китая смогли улучшить предложенную методику. Их статья, опубликованная на сайте arXiv, пока ещё не прошла рецензирование. Исследователи из Университета Гуанси (Guangxi University) показали, что для реализации SQRS вовсе не обязательно использовать одиночные фотоны, что требует достаточно сложного оборудования. В своей работе они доказали, что можно обойтись слабым источником фотонов. Используя законы статистики, такой источник можно считать однофотонным, корректируя показатели с помощью математических методов.

Предложение китайских исследователей приближает практическую реализацию безопасного квантового дистанционного зондирования, что может ускорить развитие квантовых технологий.

Китайские учёные опубликовали в национальном рецензируемом журнале Chinese Journal of Computers статью, в которой сообщили об эффективных атаках на ряд алгоритмов AES-шифрования. Атаки были проведены с использованием квантового компьютера канадской компании D-Wave Systems. Но основным «ударным» механизмом стал новый математический аппарат, разработанный в Китае. Специалисты оценили угрозу как «реальную и существенную».

1200-кубитовый процессор поколения Advantage 2. Источник изображения: D-Wave

Шифрование AES с ключами выше определённой длины сегодня считается чрезвычайно защищённым. Но это с точки зрения обычных компьютерных вычислений. Квантовые компьютеры и соответствующие алгоритмы потенциально обещают играючи взламывать ключи AES. Считается, что для этого должно пройти 10, 20 или даже больше лет. Однако есть опасения и признаки того, что всё произойдёт намного раньше — уже через 3-5 лет. Группа китайских учёных из Шанхайского университета в своей новой работе показала, что ряд алгоритмов шифрования, лежащих в основе AES, могут быть скомпрометированы квантовыми компьютерами.

Используя квантовый компьютер канадской компании D-Wave Systems учёные провели атаку на алгоритмы Present, Gift-64 и Rectangle, которые относятся к так называемому блочному шифрованию Substitution-Permutation network (подстановочно-перестановочная сеть). Код не был взломан окончательно, как говорится в работе, но команда исследователей была близка к этому как никто и никогда ранее. Сеть SP является частью AES-шифрования, с помощью которого банковский сектор, госструктуры и военные всего мира хранят свои секреты. Даже призрачная угроза в данном случае должна рассматриваться, как реальная.

«Это первый случай, когда настоящий квантовый компьютер представляет реальную и существенную угрозу для множества полномасштабных структурированных алгоритмов SPN, используемых сегодня», — говорится в рецензируемой статье.

Сам квантовый компьютер D-Wave Systems с трудом можно назвать квантовым. Он использует принцип квантового отжига — работает на поиске энергетических минимумов, что в физике соответствует стремлению атомов к наименьшему энергетическому состоянию. Всё, что осталось после обработки — «прогорания» — данных и есть искомый результат. Учёным нужно было лишь создать математический аппарат для обработки данных в нужном для них направлении. Такой аппарат с привлечением ИИ был создан, но он не универсальный и это затрудняет практическое использование квантовых платформ сегодня, в том числе, для успешного взлома AES-ключей.

50-кубитный квантовый ионный компьютер разработан научной группой Российского квантового центра и Физического института имени Лебедева РАН (ФИАН). На данный момент он является самым мощным квантовым компьютером в России. Доступ к нему осуществляется через облачную платформу. Разработка велась в рамках реализации дорожной карты развития высокотехнологичной области «Квантовые вычисления», координатором которой является госкорпорация «Росатом».

Источник изображений: atomic-energy.ru

Представленный квантовый компьютер базируется на уникальной кудитной технологии, которую российские учёные стали использовать третьими в мире, после Австрии и США. Впервые российский 16-кубитный компьютер был представлен в июле 2023 года на первом Форуме будущих технологий (ФБТ). На втором ФБТ в феврале 2023 года была продемонстрирована 20-кубитная машина. Менее чем за год после этого удалось увеличить количество кубитов до 50.

«За год мы полностью переделали ультрастабильный лазер и существенно модернизировали и систему адресации и считывания, поработали над стабильностью всех подсистем, автоматизировали многие калибровки. За счёт этого получилось в короткий срок поднять мощность нашего квантового компьютера и нарастить число кубит. Дальше мы планируем работать и над увеличением числа кубит, и над достоверностью двухкубитных операций. Всё это нужно для запуска более сложных квантовых алгоритмов. Потенциал для модернизации у нашей машины есть», — прокомментировал научный руководитель проекта Илья Семериков.

Эксперты полагают, что квантовые вычисления в первую очередь будут востребованы в фармацевтике для моделирования сложных соединений при создании новых лекарств. Квантовые вычисления помогут при прогнозировании эпидемий. Врачи смогут в кратчайшие сроки разработать персональные рекомендации для лечения с учётом конкретных симптомов и особенностей организма.

Квантовые вычисления обеспечат принципиально новые возможности при моделировании химических процессов, что безусловно будет востребовано в промышленном секторе. В логистических операциях использование квантовых компьютеров для составления оптимальных маршрутов и расписаний движения транспорта приведёт к сокращению задержек, удешевит и ускорит доставку грузов.

Аналитики уверены, что квантовые технологии радикально повысят возможности ИИ в области машинного обучения, распознавания и анализа, обработки больших данных при меньших энергозатратах. Постквантовое шифрование должно обеспечить необходимый уровень защиты персональных и конфиденциальных данных. В финансовом секторе квантовые вычисления помогут минимизировать риски и точнее оценить кредитоспособность клиента.

«Ионная платформа является в мире одной из главных по значимости в квантовых вычислениях. В ФИАНе полностью освоена технология создания квантового компьютера на ионах. Наша исследовательская группа смогла обеспечить высокие темпы развития квантового вычислителя до уровня в 50 кубитов, который позволяет проектировать его будущее применение в прикладных задачах экономики и сферы безопасности. Ожидается, что к 2030 году квантовые вычисления дополнят классические вычисления в решении большого ряда специфических задач, в том числе, позволят развивать квантовую химию и обеспечивать квантовое шифрование» — заявил Директор ФИАН Николай Колачевский.

«50 кубитов - это колоссальное достижение, особенно, учитывая, что 4 года назад лучшим результатом в России было 2 кубита, а ионное направление построено с нуля. Однако для нас это лишь первый шаг на пути к промышленному использованию квантовых вычислений. […] Мы верим, что уже через несколько лет отдельные отрасли смогут извлечь пользу от использования того самого квантового превосходства, и сделаем все, чтобы максимально упростить эту задачу», — считает сооснователь Российского квантового центра Руслан Юнусов. Ранее он озвучивал планы создания 100-кубитного квантового компьютера к 2030 году.

Россия наряду с США и Китаем сегодня входит в число стран, создавших квантовые компьютеры на всех четырёх приоритетных для квантовых вычислителей платформах: сверхпроводниках, ионах, нейтральных атомах и фотонах. И только шесть стран построили квантовые компьютеры с 50 кубитами и более: Китай, США, Канада, Россия, Япония и Франция.

Возможности квантовых компьютеров приумножатся, когда их начнут соединять в сети. И будет отлично, если эти сети будут построены на уже имеющихся волоконно-оптических каналах. Так будет дешевле, а в придачу это повысит защищённость обычных каналов передачи информации. Другое дело, что «квантовые» фотоны и обычные плохо совмещаются в одном канале, ведь квантовые состояния чувствительны к помехам и легко разрушаются, но в Германии научились справляться с этим.

Источник изображения: Leibniz University Hannover

Эксперимент поставили учёные из Ганноверского университета им. Лейбница (Leibniz University Hannover). Он должен был показать, что квантовая информация и классическая цифровая может быть передана по одному и тому же оптическому волокну. Потенциально это будет означать абсолютно защищённый от взлома обычный интернет, а также объединение в будущем нескольких квантовых компьютеров в кластеры для решения невообразимых сегодня по сложности задач.

«Чтобы сделать квантовый интернет реальностью, нам нужно передавать запутанные фотоны по оптоволоконным сетям, — поясняет физик Майкл Кус (Michael Kues) из Ганноверского университета им. Лейбница. — Мы также хотим продолжать использовать оптические волокна для обычной передачи данных. Наше исследование — важный шаг к объединению обычного Интернета с квантовым интернетом».

Источник изображения: Science Advances 2024

Для совмещения квантового и обычного оптического сигнала в одном канале учёные воспользовались самодельным модулятором с линейным изменением фазы или задержки (т.н. серродином). Серродин производит сдвиг фаз оптического сигнала в оптоволокне (в одном частотном канале), чтобы поместить туда одновременно квантовые и классические данные. Как показал опыт, это не разрушает запутанность фотонов. На выходе таким же образом потоки разделяются на квантовый и обычный для обработки каждого на своём приёмнике.

Подчеркнём, всё происходит в одном частотном канале, а не просто в волокне, где частотных каналов могут быть десятки и даже сотни. Тем самым обычная пропускная способность снизится незначительно, открывая путь к более быстрому появлению квантового интернета.

На сегодняшний день практически все чувствительные данные в мире защищены схемой ассиметричного шифрования RSA (Rivest-Shamir-Adleman), которую практически невозможно взломать с помощью современных компьютеров. Но появление квантовых компьютеров может кардинально изменить ситуацию. Поэтому Национальный институт стандартов и технологий США (National Institute of Standards and Technology, NIST) представил три схемы шифрования постквантовой криптографии.

Источник изображений: unsplash.com

Новые стандарты должны стать важным элементом криптографической защиты данных. Предыдущие стандарты криптографии NIST, разработанные в 1970-х годах, используются практически во всех устройствах, включая интернет-маршрутизаторы, телефоны и ноутбуки. Руководитель группы криптографии NIST Лили Чен (Lily Chen) уверена в необходимости массовой миграции с RSA на новые методы шифрования: «Сегодня криптография с открытым ключом используется везде и во всех устройствах, наша задача — заменить протокол в каждом устройстве, что нелегко».

Хотя большинство экспертов считают, что крупномасштабные квантовые компьютеры не будут построены как минимум ещё десять лет, существуют две веские причины для беспокойства уже сегодня:

• Во-первых, многие устройства, использующие метод RSA, такие как автомобили или компоненты «умного дома», будут использоваться ещё как минимум десятилетие. Поэтому их необходимо оснастить квантово-безопасной криптографией, прежде чем они будут выпущены в эксплуатацию.
• Во-вторых, злоумышленник может сохранить зашифрованные данные сегодня и расшифровать их при появлении достаточно производительных квантовых компьютеров — концепция «собирай сейчас, расшифруй позже».

Поэтому эксперты по безопасности в различных отраслях призывают серьёзно относиться к угрозе, исходящей от квантовых компьютеров. Новые схемы шифрования основаны на понимании сильных и слабых сторон квантовых вычислений, так как квантовые компьютеры превосходят классические лишь в достаточно узком спектре задач. К квантово-устойчивым криптографическим методам относятся:

• Решётчатая криптография основана на геометрической задаче о кратчайшем векторе, которая требует найти точку, ближайшую к началу координат, что невероятно сложно сделать при большом количестве измерений.
• Изогональная криптография использует для шифрования эллиптические кривые, что обещает высокую устойчивость к дешифровке.
• Криптография на основе кода с возможностью исправления ошибок опирается на сложность восстановления структуры кода из сообщений, содержащих случайные ошибки.
• Криптография с открытым ключом на основе хеш-дерева позиционируется как развитие идей RSA.

На сегодняшний день наиболее перспективным методом NIST считает решётчатую криптографию. Институт ещё в 2016 году объявил публичный конкурс на лучший алгоритм постквантового шифрования. Было получено 82 заявки от команд разработчиков из 25 стран. С тех пор конкурс прошёл через четыре отборочных тура и в 2022 году завершился, назвав четыре победивших алгоритма. Были учтены мнения криптографического сообщества, промышленных и учёных кругов, а также заинтересованных государственных служб.

Четыре победивших алгоритма имели звучные названия: CRYSTALS-Kyber, CRYSTALS-Dilithium, Sphincs+ и FALCON, но после стандартизации получили типовое обозначение «Федеральный стандарт обработки информации» (Federal Information Processing Standard, FIPS) с номерами 203–206. Сегодня NIST объявил о стандартизации FIPS 203, 204 и 205. Ожидается, что FIPS 206 будет стандартизирован ближе к концу года. FIPS 203, 204 и 206 основаны на решётчатой криптографии, в то время как FIPS 205 — на хеш-функциях.

Стандарты включают компьютерный код алгоритмов шифрования, инструкции по его реализации и сценарии предполагаемого использования. Для каждого протокола существует три уровня безопасности, разработанные для обеспечения будущих стандартов в случае обнаружения в алгоритмах слабых мест или уязвимостей.

Ранее в этом году внимание криптографического сообщества привлекла публикация Или Чена (Yilei Chen) из Университета Цинхуа, которая утверждала, что решётчатая криптография на самом деле плохо защищена от квантовых атак. Но при дальнейшем рассмотрении силами сообщества в аргументации Чена были найдены ошибки, и авторитет решётчатой криптографии был восстановлен.

Этот инцидент подчеркнул базовую проблему, лежащую в основе всех криптографических схем: нет никаких доказательств того, что какие-либо из математических задач, на которых основаны схемы, на самом деле «сложные». Единственным реальным доказательством стойкости шифрования, даже для стандартных алгоритмов RSA, являются многочисленные неудачные попытки взлома в течение длительного времени.

Поскольку постквантовые стандарты криптографии пока очень «молоды», их стойкость постоянно подвергается сомнениям и попыткам взлома, причём каждая неудачная попытка только повышают доверие к ним. «Люди изо всех сил пытались взломать этот алгоритм. Многие люди пытаются, они очень стараются, и это на самом деле придаёт нам уверенности», — заявила по этому поводу Лили Чен.

Безусловно, представленные NIST новые стандарты постквантового шифрования актуальны, но работа по переводу на них всех устройств только началась. Потребуется длительное время и значительные средства, чтобы полностью защитить данные от дешифровки при помощи будущих квантовых компьютеров. Для примера, компания LGT Financial Services потратила 18 месяцев и около полумиллиона долларов лишь на частичное внедрение новых алгоритмов, а затраты на полный переход оценить затруднилась.

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».

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.