Европейские СМИ сообщают, что в Германии учёные протестировали масштабную квантовую сеть для будущего квантового Интернета. По стандартному волоконнооптическому кабелю и при обычной комнатной температуре были переданы квантовые состояния между Франкфуртом и Келем, что составило 254 км обычной оптической магистрали или в два раза больше, чем было испытано в Европе ранее.

Источник изображения: Denny Müller / unsplash.com

Поставленный эксперимент стал прорывом для сверхбезопасной связи на больших расстояниях. Традиционному шифрованию начали угрожать квантовые компьютеры. Рано или поздно квантовые платформы смогут взламывать обычные ключи, поэтому организация защищённой квантовыми законами связи становится приоритетной задачей. При этом крайне важно сохранить действующую инфраструктуру линий связи. В конечном итоге — это вопрос колоссальной экономии средств, которых никогда не бывает много.

Гарантированно защитить данные от взлома может технология квантового распределения ключей (QKD). Ключи передаются в виде квантовых состояний одиночных фотонов, перехват которых разрушает квантовые состояния просто по законам квантовой механики. Тем самым сразу становится известно о компрометации ключа, и само зашифрованное сообщение уже не будет передано — это лучшая гарантия от взлома.

Квантовых повторителей для усиления или восстановления квантовых состояний пока не существует. Поэтому на определённых и довольно небольших отрезках оптической магистрали создаются доверенные узлы, которые заново собирают квантовые ключи. Сегодня такие узлы приходится создавать через десятки километров, что дорого и малоэффективно для массового применения. Например, на развёрнутой четыре года назад в России квантовой линии связи между Москвой и Санкт-Петербургом на дальности 700 км используются 19 доверенных узлов.

В ходе нового эксперимента в Германии квантовые состояния одиночных фотонов передали на 254 км. Провели эксперимент сотрудники европейского подразделения компании Toshiba.

«Все предыдущие внедрения квантовой связи по оптоволокну были ограничены гораздо меньшими расстояниями, что составляет примерно половину того, чего мы достигли. И это связано с фундаментальными ограничениями предыдущей технологии, — в интервью Euronews Next сказал Мирко Питталуга (Mirko Pittaluga), бывший старший научный сотрудник Toshiba Europe. — Наш эксперимент является первой реализацией в реальном мире особого мощного класса протоколов квантовой коммуникации, который называется когерентной квантовой коммуникацией».

«Но благодаря нашему подходу мы преодолели все эти трудности, используя масштабируемую и простую технологию, которая позволила нам внедрить ультрасовременный протокол квантовой связи, который называется twin field quantum key distribution (TF-QKD), что на самом деле является секретом того, что мы сделали», — добавил другой участник эксперимента.

Протокол TF-QKD, в основе которого лежит передача двух опорных частот в оптическую линию связи, действительно один из новейших. Вот только учёные умолчали, что Toshiba ещё в 2021 году с помощью этого протокола организовала передачу квантовых состояний на дальность 600 км, используя виртуальный повторитель сигнала. Более того, ещё раньше китайские учёные с помощью протокола TF-QKD передали данные на расстояние 500 км без повторителей.

История умалчивает об условиях передачи данных в двух последних случаях. Как бы там ни было, возможность передавать квантовые ключи на сотни километров без повторителей — это уже факт, хотя до массового внедрения этой технологии пока далеко.

Как стало известно, в минувший четверг испытания прототипа многоразовой ракеты китайской компании Space Epoch сопровождались также лётными испытаниями модулей уникальной квантовой связи без использования ключей шифрования. Это технология QSDC (прямая защищённая квантовая связь), пионерами в разработке которой считаются китайские учёные. Ракета подняла модули на высоту 2,5 км, в ходе чего впервые был установлен канал квантовой связи с Землёй.

Мягкое приводненние ракеты «Юаньсинчжэ-1» с модулем квантовой связи на борту. Источник изображения: Space Epoch

Технология QSDC была впервые представлена около четверти века назад. Наиболее активно её развивают в Китае. Она не предусматривает квантового распределения ключей шифрования, которое применялось до сих пор. Передача ключей шифрования, закодированных в квантовых состояниях фотонов, требует нескольких сеансов связи. Если ключи переданы без признаков перехвата, только тогда передаётся зашифрованная информация, после чего происходит её дешифровка. Прямая защищённая квантовая связь исключает этап передачи ключей и изначально формирует защищённый квантовый канал передачи. Очевидно, что в этом случае защищённая квантовая связь может стать повсеместной.

Испытания модулей QSDC во время запуска ракеты «Юаньсинчжэ-1» (Yuanxingzhe-1) проводились с целью оценки влияния на модули и канал связи внешних факторов в виде спектра излучений и вибраций. По словам учёных, канал связи земля—воздух—ракета (космос) был успешно создан и доказал работоспособность концепции.

«Запуск в основном проверял устойчивость модулей к различным воздействиям окружающей среды, возникающим во время подъёма ракеты, таким как вибрация и радиация, — говорится в сообщении Пекинской академии квантовых информационных наук (BAQIS). — Это испытание стало ключевым шагом в переходе Китая от экспериментальной проверки к созданию полностью интегрированной сети квантовой защищённой прямой связи космос—воздух—земля (QSDC)».

Для защищённой передачи информации по каналу QSDC используются квантовые эффекты (передача запутанных пар фотонов) с добавлением шума для маскирования полезного сигнала. Технология пока развивается. Наилучшим результатом стала передача данных QSDC по обычной оптике на расстояние 300 км между двумя парами абонентов, хотя скорость передачи составила всего 104 бит/ч с достоверностью 85 %.

По мере развития технологии QSDC она может заменить уже используемую технологию шифрования на основе квантового распределения ключей и стать доминирующей в средствах связи в Китае.

Перед лицом угрозы, исходящей от огромной вычислительной мощности новых квантовых компьютеров, безопасность связи должна подняться на более высокий уровень, уверены учёные из Китая. Для этого они разработали и развивают технологию QSDC (прямой защищённой квантовой связи), которую считают перспективной для квантовой коммуникации.

Источник изображения: ИИ-генерация Grok 3/3DNews

Учёные утверждают, что технология QSDC (Quantum Secure Direct Communication) безопасна и защищена от угроз со стороны квантовых вычислений, позволяя передавать секретные сообщения непосредственно по квантовому каналу через обычные оптоволоконные линии связи. Технология QSDC получила теоретическое обоснование в начале 2000-х годов, а первый прототип системы был продемонстрирован в 2020 году в Пекинской академии наук.

До появления QSDC в квантовой криптографии широко применялся метод квантового распределения ключей (QKD), который сегодня остаётся единственным практически реализованным способом квантовой криптографии. По обычным каналам связи передаётся только квантовый ключ шифрования; попытка его перехвата указывает на атаку. Пока ключ не передан абоненту без признаков перехвата, он считается скомпрометированным. О факте перехвата становится известно благодаря квантовым эффектам — в частности, из-за разрушения квантовых состояний фотонов (так называемый эффект наблюдателя), которые кодируют ключ.

Существует также возможность квантовой телепортации для безопасной передачи информации, но эта технология ещё более сложна и на базовом уровне пока не позволяет передавать информацию в полном смысле этого слова.

Метод QSDC — это новое слово в безопасной связи на основе квантовой механики и, как утверждают китайские учёные, наиболее прогрессивная технология из всех доступных на сегодняшний день.

Экспериментальная сеть QSDC использует лазеры накачки для передачи пар запутанных фотонов между абонентами. Чем больше лазеров накачки, тем больше абонентов можно обслуживать на одной линии. Фотоны передаются по обычным оптическим каналам связи, что позволяет рассчитывать на широкое внедрение QSDC. Для повышения защищённости передачи в канал намеренно добавляется шум, маскирующий полезный сигнал.

Для сокрытия информации в канале связи QSDC не требуется никакой ключ шифрования, что упрощает организацию защищённых каналов связи, работу с ними и с оборудованием. Защитой служат законы квантовой механики (в частности, квантовая запутанность фотонов) и искусственная зашумлённость канала.

В феврале одна из команд китайских учёных установила рекорд передачи данных по QSDC: 2,38 Кбит/с по стандартному телекоммуникационному оптоволокну длиной 104,8 км. В новой работе, с использованием двух лазеров накачки и дополнительного уровня шума, дальность связи была утроена и достигла 300 км. Скорость передачи оказалась крайне низкой — всего 104 бит/ч с достоверностью 85 %, но технология доказала свою жизнеспособность. Более чувствительные детекторы одиночных фотонов позволят в будущем значительно повысить скорость передачи до практических значений.

Microsoft хочет защитить Windows 11 от перспективной угрозы кибербезопасности — от квантовых компьютеров. Предварительная версия Windows 11 Canary сборки 27852 получила поддержку алгоритмов постквантового шифрования (Post-Quantum Cryptography — PQC), которые, как предполагается способны выстоять против средств взлома, которые возникнут с распространением квантовых компьютеров.

Источник изображений: Philip Oroni / unsplash.com

Обновлённая версия криптографической библиотеки Microsoft SymCrypt получила поддержку комплексных решений ML-KEM и ML-DSA, обращаться к которым можно через средства Cryptography API: Next Generation. ML-KEM обеспечивает защиту от угрозы класса «собрать сейчас, расшифровать позже», предполагающей, что злоумышленники собирают целевые данные уже сегодня, сохраняют их и ждут, пока квантовые компьютеры станут достаточно быстрыми, чтобы расшифровать похищенную информацию. ML-DSA предназначается для сценариев, связанных с проверкой личности, и для сохранения целостности цифровых подписей.

Алгоритмы PQC разрабатываются для противодействия атакам со стороны перспективных, то есть ещё не существующих квантовых компьютеров. При этом используются математические уравнения, которые, как считается, трудно решить как традиционным, так и квантовым вычислительным системам. Но эти алгоритмы более требовательны к оборудованию: необходимы большие размеры ключей, на вычисления уходит больше времени, активнее используются ресурсы пропускной способности по сравнению с классическими алгоритмами криптографии.

Алгоритмы PQC тщательно подобрал Национальный институт стандартов и технологий (NIST) США с учётом таких критериев как безопасность, производительность и совместимость. Технологии PQC используются не только Microsoft, но и реализуются в рамках нескольких отраслевых стандартов, в том числе TLS, SSH и IPSec.

SymCrypt — основная криптографическая библиотека Microsoft, которая используется во множестве её служб и продуктов от Microsoft 365 и Azure до Windows 11 и Windows Server 2025. SymCrypt используется для обеспечения безопасности электронной почты, облачного хранилища, браузера и многого другого. Реализовав поддержку PQC в SymCrypt, Microsoft готовит всю экосистему платформ Windows и других продуктов к перспективным атакам с использованием квантовых компьютеров. Пока эта технология тестируется в Windows 11, но в ближайшем будущем PQC появится и в Linux. Появится ли PQC в BitLocker, и когда это может случиться, в Microsoft не уточнили, но с учётом сложности этой задачи и высоких требований к оборудованию, едва ли стоит ожидать такого нововведения в ближайшее время.

Исследование Google показало, что 2048-битный ключ шифрования RSA — современный стандарт для онлайн-безопасности — может быть взломан за несколько дней квантовым компьютером с менее чем миллионом кубитов. Это открытие резко снизило требования к конфигурации квантового компьютера по сравнению с прежними оценками, которые всего несколько лет назад предполагали необходимость как минимум 20 миллионов кубитов.

Источник изображения: Quantware

Квантовый компьютер с миллионом кубитов пока представляется скорее фантастикой, нежели реальностью. Однако темпы прогресса в этой области требуют уже сейчас начать переход к мерам безопасности, устойчивым к квантовым технологиям. Исследование, проведённое для Google Крейгом Гидни (Craig Gidney) подробно описывает будущие атаки с применением квантовых компьютеров и призывает мировое ИТ-сообщество уже сейчас готовиться к постквантовому миру.

Выводы Гидни являются результатом достижений как в квантовых алгоритмах, так и в методах исправления ошибок. С тех пор как Питер Шор в 1994 году открыл, что квантовые компьютеры могут факторизовать большие числа гораздо эффективнее классических компьютеров, учёные стремились точно определить, какая конфигурация квантового оборудования потребуется для взлома реального шифрования.

Источник изображений: IBM

Последняя работа Гидни основана на недавних алгоритмических прорывах, таких как использование приближенного модульного возведения в степень, которое значительно сокращает количество требуемых логических кубитов. Исследование также включает более плотную модель для хранения кубитов с исправленными ошибками, используя такие методы, как «коды с ярмовой поверхностью» (yoked surface codes) и «выращивание магического состояния» (magic state cultivation) для сокращения требуемых ресурсов.

Гипотетическая машина, располагающая миллионом кубитов, для взлома 2048-битных ключей шифрования RSA должна будет работать непрерывно в течение пяти дней, поддерживать чрезвычайно низкий уровень ошибок и координировать миллиарды логических операций без перерыва. Современные квантовые компьютеры работают только с сотнями или тысячами кубитов, что намного меньше отметки в миллион кубитов. Например, IBM Condor и Google Sycamore с 1121 и 53 кубитами соответственно иллюстрируют текущие возможности квантовых вычислений.

Компания D-Wave недавно представила самый мощный в мире квантовый компьютер — систему Advantage2 с более чем 4400 кубитами. Как и все предыдущие системы D-Wave (за исключением компьютеров первых поколений), Advantage2 будет доступна только через облако. Поставки физических систем клиентам начнутся позже — с платформ, насчитывающих не менее 7000 кубитов, время которых ещё не пришло.

Источник изображения: Dwave

20 мая компания NVIDIA объявила об открытии Глобального центра исследований и разработок для бизнеса в области искусственного интеллекта на базе квантовых технологий (Global Research and Development Center for Business by Quantum-AI Technology, G-QuAT). На этой площадке размещена система ABCI-Q — крупнейший в мире исследовательский суперкомпьютер, предназначенный для квантовых исследований. Система интегрирована с тремя квантовыми компьютерами.

Крупные компании, разрабатывающие квантовое оборудование, планируют масштабировать свои компьютеры до уровня миллиона кубитов в течение следующего десятилетия. IBM в партнёрстве с Токийским и Чикагским университетами собираются построить квантовый компьютер на 100 000 кубитов к 2033 году. Компания Quantinuum заявила о цели по созданию полностью отказоустойчивого универсального квантового компьютера Apollo к концу 2020-х годов.

Последствия появления следующего поколения квантовых компьютеров для информационной безопасности крайне болезненны. RSA и аналогичные криптографические системы лежат в основе большей части защищённых коммуникаций в мире, от банковского дела до цифровых подписей. Результаты исследования Гидни подтверждают срочность перехода на постквантовую криптографию (PQC) — новые стандарты, разработанные для противостояния атакам квантовых компьютеров. В прошлом году Национальный институт стандартов и технологий США опубликовал алгоритмы PQC и рекомендовал поэтапно отказаться от уязвимых систем после 2030 года.

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».

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.

Источник изображения: unsplash.com

Исследование Гидни подчёркивает важность упреждающего планирования. Оно также напоминает о вечном соревновании «снаряда и брони» — по мере развития технологий развиваются и методы их взлома. Улучшения алгоритмов и лучшая интеграция оборудования и программного обеспечения продолжают снижать барьеры для потенциальных злоумышленников.

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.