Спутниковые квантовые коммуникации

Семинар по технологиям квантовых вычислений

В декабре Сбер организовал научно-практический онлайн-семинар по технологиям квантовых вычислений. На этом мероприятии выступили представители Российского квантового центра (РКЦ), госкорпорации «Росатом», Центра квантовых технологий МГУ им. Ломоносова (ЦКТ МГУ), Квантового центра МИСиС (КЦ МИСиС), Оксфордского университета (Великобритания), Технологического института Карлсруэ (Германия), стартапов QRate и QAPP.

На семинаре были представлены:

• дорожная карта развития квантовых вычислений в России до 2024 года, которая предполагает развитие полного стека этой технологии – от языков программирования и сред разработки до квантовых алгоритмов и логического квантового процессора;
• две технологии создания квантовых компьютеров – на кубитах из сверхпроводников в условиях сверхнизких температур и на основе принципов захвата атомов лазерными лучами;
• срез рынка квантовых технологий и сопутствующих программных решений, в том числе по модели «вычисления как услуга»;
• оптическая система для обучения нейронных сетей, робот для тонкой настройки квантовых компьютеров, оптические тактильные сенсоры, самообучающийся шагающий робот и другие решения на стыке оптики и искусственного интеллекта;
• спутниковый канал квантовой передачи данных – пока такую передачу удалось осуществить только китайским исследователям, однако группа российских ученых из МИСиС также работает над технологией квантового распределения ключей в канале связи космического спутника с наземной станцией.

Российские эксперты считают, что, с учетом значительного общественного внимания и потенциальной значимости реализации коммерческих космических программ доступной размерности, целесообразно будет изучить возможность участия Сбера в мероприятии дорожной карты «Квантовые коммуникации» по квантовому распределению ключей через космос, включая вариант использования российского сегмента Международной космической станции (МКС) и группировки малых спутников.

Китайский проект

Китайские ученые стали первыми в осуществлении передачи данных со спутника на Землю при помощи квантового распределения ключей, или квантовой криптографии – метода, теоретически исключающего возможность несанкционированного доступа к посылаемой информации. Тем самым они заложили фундамент для формирования глобальной квантовой коммуникационной сети, защищенной от кибератак. Это знаковое событие произошло в августе 2017 года.

Статья, в которой подводились результаты работы первого квантового спутника в мире – «Мо-цзы» или QUESS (Quantum Experiments at Space Scale – «Квантовые эксперименты в космическом масштабе»), была опубликована в авторитетном академическом издании Nature. Стоит отметить, что в своих комментариях обозреватели журнала Nature назвали эксперимент «впечатляющим достижением, ставшим важной вехой в развитии квантовой криптографии».

16 августа 2016 года на солнечно-синхронную орбиту высотой около 500 км был выведен 600-килограммовый китайский спутник квантовой связи «Мо-цзы», названный в честь древнекитайского философа и ученого, жившего в 5 веке до н.э., которому приписывают проведение первых в истории человечества оптических экспериментов.

По словам главного ученого проекта QUESS, академика Академии наук Китая Пань Цзяньвэя, спутник выслал квантовые ключи на наземные станции в Синлуне (провинция Хэбэй, Северный Китай) и Наньшане (Синьцзян-Уйгурский автономный район, Северо-Западный Китай). Расстояние передачи информации между спутником и станциями варьируется от 645 до 1200 км, при этом скорость передачи квантовых ключей примерно на 20 порядков более эффективна, чем проведенная посредством оптоволоконной связи на том же расстоянии.

Во время полета спутника над Китаем, у ученых есть всего 10 минут для проведения экспериментов. В этот промежуток времени спутник генерирует и передает на наземную станцию защищенный ключ размером в 300 кбит, добавил китайский ученый.

По словам Пань Цзяньвэя, благодаря новым достижениям, в будущем станет возможным делать абсолютно безопасные (не прослушиваемые) телефонные звонки и надежно передавать большой объем банковских данных.

«Квантовое распределение ключей при помощи спутника можно соединить с городской квантовой сетью, в которой имеется достаточно оптических волокон для эффективного соединения между многочисленными пользователями, находящимися в пределах города на расстоянии более 100 км. Таким образом, мы можем представить себе специальную интегрированную квантовую систему класса «космос – земля», позволяющую квантовой криптографии стать полезной на глобальном уровне, в частности в сфере коммерческого применения зашифрованной информации», – убежден Пань Цзяньвэй.

Абсолютная информационная безопасность будет крайне высоко востребована в будущем. Классическая криптографическая система с открытым ключом основана на невозможности вычислить некоторые математические функции. Однако, мощный квантовый компьютер, над разработкой которого работают ученые со всего мира, рассматривается как реальная угроза, так как благодаря нему станет возможным взломать любой обычный компьютер.

Тем не менее, у каждой медали есть две стороны: квантовая механика также служит для защиты информации. Используемая в квантовой коммуникации технология квантовых ключей и приемы квантового запутывания исключают возможность прослушивания канала и прекрасно защищают информацию.

Пань Цзяньвэй объяснил, что квантовый ключ создается из случайных чисел, сгенерированных двумя общающимися между собой пользователями с целью закодировать информацию, при перехвате или считывании которой квантовое состояние ключа изменяется и перехваченная информация самоуничтожается.

Любая попытка третьей стороны незаконно подключиться к квантовому каналу с целью получения информации неизбежно приведет к нарушению системы и будет обнаружена общающимися пользователями, заключил Пань.

**********************

Что же касается россиян, то в МИСиС уже научились сопровождать спутник из наземной обсерватории, следующая задача, которая стоит перед российскими исследователями и инженерами – это квантовое распределение ключей в канале связи с Землей.

Кроме того, в настоящий момент прорабатывается проект по созданию квантовой сети-«песочницы» в ИЦ «Сколково», чтобы у сторонних разработчиков была возможность создавать приложения и развивать прикладное применение продукта.