Найшвидший і безпечний: як влаштований квантовий інтернет і коли він почне працювати

інтернет, мережа

Чим квантові мережі відрізняються від звичного інтернету, що необхідно для їхньої роботи і чому вчені так поспішають впровадити їхній досвід у повсякденне життя? На ці запитання відповідає Фокус.

Ми всі прекрасно знаємо, як працює інтернет: пакети даних передаються через взаємопов'язані пристрої з використанням апаратних і програмних маршрутизаторів, які відповідають певним протоколам. Ці дані надсилаються в електронному вигляді буквально по дротах, оптичних волокнах або за допомогою бездротового зв'язку. Усе працює швидко, пов'язано і без проблем. Однак учені з різних країн працюють над створенням більш просунутого способу передавання даних — за допомогою квантової мережі.

Що собою являє квантова мережа

Колумніст видання enterprisenetworkingplanet.com Майкл Сумастр так описує значення терміна "квантова мережа": "Це інтернет-мережа, яка використовує фотони для передавання даних, що дозволяє квантовим обчислювальним пристроям обмінюватися інформацією в певному середовищі, що працює за принципами квантової механіки". Звучить складно? Це не дивно, адже без базових знань про квантову механіку, досить важко зрозуміти, що таке квантова мережа і як влаштований квантовий інтернет. Тому розберемося спочатку з фізикою.

Отже, квантова механіка описує фізичні властивості природи в атомному і субатомному масштабі. Зокрема, вона пояснює природу фотонів — найдрібніших елементарних частинок, які заведено називати квантами електромагнітних полів, враховуючи світлові та радіохвилі.

Принципи роботи квантових мереж

Квантова мережа здатна буде гарантувати безпечне передавання даних та обмін квантовими повідомленнями між окремими квантовими пристроями. При цьому задіяні будуть оптоволоконні кабелі. Інформація на пристроях буде зберігатися та оброблятися кубітами (квантовими бітами, які, на відміну від звичайних бітів можуть набувати не тільки значень "0" та "1", а й перебувати в суперпозиції, наприклад, між нулем та одиницею). Кубіти, які є поляризованими фотонами, зможуть дуже легко переміщатися по оптоволоконних кабелях і слугувати кодерами інформації.

"Якщо хто-небудь спробує перехопити інформацію, яка пересилається, тонкий квантовий стан кубітів буде зруйнований разом із даними, які вони зберігають. Але перш ніж таке вторгнення відбудеться, кінцеві пристрої отримають попередження", — пише колумніст.

квантовий інтернет, інфографіка, схема
Принцип роботи квантової мережі
Фото: science.org

Здатність "заздалегідь" фіксувати будь-яке вторгнення зробить квантові мережі чи не найнадійнішим каналом передавання даних, який просто не буде сенсу зламувати. Більш того, квантові мережі володіють трьома чудовими властивостями: неможливістю клонування, заплутаністю і суперпозицією (чим не можуть похвалитися звичайні інтернет-мережі). Квантовий стан фотонів можна точно визначити (виміряти) без ризику зруйнувати його, що усуває будь-яку спробу зробити це. Зрештою, квантовий стан залишається невідомим, а це значить, що немає жодної можливості скопіювати його. Отже, добре спроєктована квантова мережа за своєю суттю захищена від клонування.

Основна мета квантової мережі — дозволити кубіти на одному пристрої зв'язуватися з кубітами на іншому пристрої. І в цьому випадку заплутаність слугує на благо шифрування переданих даних. Заплутані пари фотонів на різних пристроях корелюють один з одним, тому багаторазове зчитування квантових станів кубітів дозволяє створювати секретні коди. Крім того, кореляція заплутаних фотонів може бути застосована незалежно від того, наскільки далеко вони одне від одного знаходяться. "Учені можуть розробити пристрої, які розширять діапазон квантової мережі саме завдяки заплутаності", — впевнений автор.

У чому переваги квантового інтернету

"Отже, ми з'ясували, що квантові мережі безпечні та несприйнятливі до будь-якого виду кібератак. Зашифровані повідомлення перехопити буде неможливо. Однак, крім гарантії безпеки, квантовий інтернет може передавати великі обсяги інформації на великі відстані з набагато більшою швидкістю, ніж класичні мережі", — міркує Майкл. На його думку, квантові мережі здатні здійснити справжню революцію в таких сферах, як софтвер і бездротові мережі.

Сумастр вважає, що фінансовий сектор отримає більшу вигоду, особливо в галузі гарантування безпеки транзакцій онлайн-банкінгу — споживачі почуватимуться в більшій безпеці та впевненіше, обмінюючись особистими даними і здійснюючи фінансові операції в квантовому інтернеті.

Держсектор і сектор охорони здоров'я теж будуть у плюсі. Більш швидкий і безпечний інтернет допоможе цим секторам прискорити всі робочі процеси й оперативно надавати послуги. Квантові обчислення також дозволять держустановам та установам охорони здоров'я вирішувати соціальні проблеми, проводити великомасштабні експерименти та дослідження.

квантовий комп'ютер
Квантовий комп'ютер IBM
Фото: IBM

Неможливість хакерських атак допоможе різним компаніям і державам заощадити багато грошей, адже зловмисники не зможуть красти дані й шантажувати своїх жертв, вимагаючи величезні суми для викупу.

Квантові мережі все ще знаходяться на експериментальній стадії, і технологічні компанії тільки починають їх будувати. ІТ-фахівці, дослідники, науковці й інші експерти в цій галузі поки тільки розробляють пристрої, необхідні для роботи цілої інфраструктури, що враховує квантові маршрутизатори, шлюзи, концентратори, комп'ютери тощо. Але плани айтішників дуже реальні. Наприклад, нещодавно Міністерство енергетики США опублікувало стратегію реалізації квантового інтернету, про що докладно писав Фокус. А в минулому році про подібний проєкт заявляли низка компаній з Нідерландів.

Міжнародна група вчених вже встигла створити і протестувати квантову мережу, завдяки якій 8 користувачів (а пізніше і 32 юзери) змогли обмінюватися повідомленнями і файлами, перебуваючи на відстані 17 км одне від одного. На проєкт витратили $400 тис. Це досить багато, але попередні експерименти коштували мільйони доларів, тож технологія не тільки вдосконалюється, а й здешевлюється.

Майбутнє квантового Інтернету

"Щойно квантовий інтернет стане популярним, з'явиться абсолютно нова індустрія. Звичайно, класичний інтернет нікуди не дінеться — обидві мережі існуватимуть пліч-о-пліч. Хоча ми можемо очікувати, що великі організації будуть використовувати квантові мережі для захисту великого обсягу цінних даних, якими вони володіють, а прості користувачі, швидше за все, продовжать використовувати звичайний інтернет. Це не дивно, враховуючи, що квантовий інтернет — це нова технологія і, швидше за все, спочатку коштуватиме дорого", — розмірковує автор.

Крім повільного впровадження, великих витрат і перегляду наявних класичних систем, людям потрібен час, щоб адаптуватися до нових технологій. Тим більше, що нове сприймають досить важко, з небажанням. Однак із часом квантовий інтернет стане доступним для всіх людей. І чим довше він буде використовуватися, тим більш поширеним стане. А поки проблема полягає у відсутності інфраструктури — саме з цієї причини квантовий інтернет у найближчі 10 років, швидше за все, запущений не буде. Принаймні, так вважають деякі вчені, зазначаючи, що підключення користувачів до мережі триватиме ще років 5-10.

Пропонуємо Вам ознайомитися з нашим матеріалом про те, як вчені під'єднали квантовий комп'ютер до оптоволоконних мереж, і що з цього вийшло.