Квантовые технологии в инфкоммуникациях
Квантовая информатика — раздел науки, возникший в конце XX века на стыке квантовой механики, теории алгоритмов и теории информации. В квантовой информатике изучаются общие принципы и законы, управляющие динамикой сложных квантовых систем. Моделью таких систем является квантовый компьютер.
Квантовая информатика включает в себя вопросы квантовых вычислений и квантовых алгоритмов, физику квантовых компьютеров, квантовой криптографии и квантовой теории информации, непосредственно касается оснований квантовой теории, в частности, проблемы измерений и описания декогерентности. Важнейшим физическим явлением, которое изучается в квантовой информатике, является запутанные квантовые состояния и порождаемые ими нелокальные свойства квантовой физики многих тел.
Квантовая криптография — метод защиты коммуникаций, основанный на принципах квантовой физики. В отличие от традиционной криптографии, которая использует математические методы, чтобы обеспечить секретность информации, квантовая криптография сосредоточена на физике, рассматривая случаи, когда информация переносится с помощью объектов квантовой механики. Процесс отправки и приёма информации всегда выполняется физическими средствами, например, при помощи электронов в электрическом токе, или фотонов в линиях волоконно-оптической связи. Подслушивание может рассматриваться как изменение определённых параметров физических объектов — в данном случае, переносчиков информации.
Квантовые технологии в связи
Квантовая сеть – это коммуникационная сеть, которая предназначена для предохранения передаваемой информации посредством применения основополагающих законов квантовой механики.
В начале лета 2016 года исследователи Российского квантового центра активировали первую в стране линию квантовой связи в масштабах города. Был проведен канал, протяжность которого составляла более 30 км.
Сеть соединила между собой два отделения «Газпромбанка» в столице на основе имеющейся линии из оптоволокна. По ней транспортировался ключ для распознания сообщений, которые передаются между отделами организации. Именно квантовая сеть позволяет сделать передачу сведений максимально безопасной и надежной.
Сведения о ключе несут единичные фотоны в форме собственных характеристик. При совершении кем-либо попытки их измерения происходит непоправимое нарушение квантового состояния фотона. Оно улавливается адресатом сигнала при осуществлении сверки фрагмента ключа.
Согласно историческим заметкам первая квантовая сеть была спроектирована в 2010 году в Соединенных Штатах специалистами Лос-Аламосской лаборатории. В 2013 году она состояла из главного сервера и 3 клиентских машин.
Длина сети – 48 километров, основной составляющей выступал оптоволоконный кабель. Посредством применения сети осуществлялась передача данных в зашифрованном виде. Производилась даже пересылка видеофайлов.
Особенность использования квантовых сетей кроется в следующем: посредством их применения появляется возможность надежно предохранить информацию. Измерение квантового объекта ведет к отклонениям от нормы, потому любые попытки ознакомиться с передаваемыми данными станут понятны, и получатель будет информирован о том, что совершались попытки перехвата информации.
Все современные аналоги имеют идентичную проблему, которая заключается в том, что передача сведений может осуществляться по маршруту из пункта А в точку В. Такие ограничения выступают в роли следствия самой квантовой механики. То есть установление пути следования предполагает чтение фотонов, а это способствует их изменению и становится причиной утраты сведений.
Рисунок 1 - Многоузловая квантовая сеть
Чтобы отыскать пути решения вопроса и шагнуть дальше в развитии, исследователи из национальной лаборатории в Лос-Аламосе сделали вывод, что квантовая сеть с центральным узлом может быть реконструирована.
Криптографическая квантовая сеть — новейшая система передачи данных, работающая по законам квантовой механики.
Криптографическая квантовая сеть привлекает высокоскоростной способностью передавать данные, но, главное, она обеспечивает их высокую защиту от несанкционированного взлома.
Как только ученым удастся разработать механизм соединения спутника-ретранслятора с наземным объектом, наступит новая эра информационных технологий - квантовая.
Квантовый бит (q-бит) — основной объект, ответственный за передачу данных. По физическим характеристикам он представляет собой поляризованный фотон, состояние которого невозможно прочитать дважды. После того, как он переместился по каналу оптической связи, его состояние меняется, и повторная попытка прочтения выдаст совсем другой результат.
Это позволяет обеспечить высокую защиту передачи любой информации и объясняет заинтересованность ученых в создании безопасной квантовой системы коммуникации.
На оптоволоконную сеть устанавливается специальное оборудование. Основная задача этого оборудования — генерировать, кодировать, передавать, принимать и считывать информационные однофотонные импульсы. Приемное устройство измеряет поляризацию квантового бита, после чего он поглотится счетчиком фотонов и исчезнет. [4]