Квантовая сеть — коммуникационная сеть , защищающая передаваемые данные с использованием фундаментальных законов квантовой механики . Является практической реализацией так называемой квантовой криптографии . Квантовые сети формируют важный элемент квантовых вычислений и квантовых систем криптографии . Они допускают транспортировку квантовой информации между физически разделёнными квантовыми системами. В распределённых квантовых вычислениях сетевые узлы в сети могут обрабатывать информацию , выполняя функцию квантовых вентилей . Безопасная передача данных может быть реализована с помощью алгоритмов квантового распределения ключей .

В квантовых сетях, использующих в качестве среды передачи оптоволокно или свободное пространство, важную роль играет передача чистых квантовых состояний в виде фотонов на большие расстояния. РАБОТА КК

Идея квантовых сетей активно стала обсуждаться ^{[ источник не указан 2729 дней ]} после успешных экспериментов по квантовой телепортации ^{[ уточнить ]} .

Применение

Квантовое распределение ключей

Множество существующих квантовых сетей разработаны для поддержки квантового распределения ключей (QKD) между классическими вычислительными средами . Такое применение квантовых сетей упрощает совместное использование секретного ключа шифрования между двумя сторонами. В отличие от классических алгоритмов распределения ключей , таких, как алгоритм обмена ключами Диффи-Хеллмана , квантовое распределение ключей обеспечивает безопасность через физические свойства, а не трудность математической задачи. Первый протокол квантового распределения ключей, BB84 , был предложен Чарльзом Беннетом и Жилем Брассаром в 1984 году и был реализован во многих исследовательских квантовых сетях. В этом протоколе кубиты отправлены от одной стороны к другой через небезопасную квантовую сеть. Из-за свойств квантовой механики и теоремы о запрете клонирования , подслушивающий не может определить ключ, не будучи обнаруженным отправителем и получателем. В то время как протокол BB84 полагается на суперпозицию состояний кубита , чтобы обнаружить подслушивание, другие протоколы используют запутанные кубиты . Это протоколы E91, предложенный Артуром Экертом и BBM92, предложенный Чарльзом Беннетом , Жилем Брассаром и Дэвидом Мермином . Одной из проблем криптографии всегда была проблема распределения ключей, которая в настоящий момент успешно решается с помощью ассиметричных алгоритмов шифрования с закрытым ключом, не покидающим своего владельца.

Передача квантового состояния

В большой системе квантовых вычислений, множество отдельных квантовых компьютеров могут взаимодействовать и передавать данные через сеть. При таком взаимодействии, для сети выгодно поддерживать передачу запутанных кубитов . Рассмотрим следующий сценарий: ${\displaystyle k}$ квантовых компьютера, каждый из них содержит ${\displaystyle n}$ кубитов . В классической сети для передачи полного состояния одного квантового компьютера потребуется ${\displaystyle 2^{n}}$ бит данных. Однако, используя квантовую сеть, состояние можно передать с помощью ${\displaystyle n}$ кубитов . Аналогично, если возможно достичь запутанности между всеми компьютерами в сети, у системы в целом будет ${\displaystyle 2^{kn}}$ объединённых пространств состояний, против ${\displaystyle k2^{n}}$ для классически подключённых квантовых компьютеров .

Метод работы

Физический уровень

Основной способ взаимодействия квантовых сетей на больших расстояниях — это использование оптических сетей и фотонных кубитов . Оптические сети имеют преимущество повторного использования существующего оптоволокна . А свободные сети могут быть реализованы так, что смогут передавать квантовую информацию «по воздуху», то есть без использования структурированных сред распространения.

Оптоволоконные сети

Оптические сети могут быть реализованы, используя существующие телекоммуникации и телекоммуникационное оборудование . Со стороны отправителя, источник одиночных фотонов можно создать, сильно ослабив стандартный телекоммуникационный лазер, так что среднее число испускаемых фотонов за импульс будет меньше единицы. Чтобы получить данный эффект, используется лавинный фотодиод . Также могут использоваться различные методы регулировки фазы цифрового синтеза и поляризации, такие как разделители луча и интерферометры . В случае протоколов, основанных на запутывании, запутанные фотоны генерируются через спонтанное параметрическое рассеяние . В обоих случаях телекоммуникационное волокно может быть мультиплексным для отправления не квантовой синхронизации и управляющих сигналов.

Сети свободного пространства

Квантовые сети свободного пространства подобно оптоволоконным сетям, но полагаются на угол обзора между связывающимися сторонами вместо использования оптоволоконного соединения . Сети свободного пространства обычно поддерживают более высокую скорость передачи , чем оптоволоконные сети и не учитывают поляризационную перестановку вызванную оптоволокном .

Квантовая электродинамика полости

Телекоммуникационные лазеры и спонтанное параметрическое рассеяние , объединённые с фотодетекторами могут использоваться для квантового распределения ключей. Однако для запутанных квантовых систем важно сохранять и ретранслировать квантовую информацию, не разрушая базовые состояния. Квантовая электродинамика полости — один из возможных методов решения данной задачи. Здесь фотонные квантовые состояния могут быть переданы как в атомарные квантовые состояния имеющие квантовый выход с разделёнными зарядами, хранящиеся в отдельных атомах в оптических полостях, так и из них. В дополнение к созданию удалённой запутанности между удалёнными атомами, это позволяет осуществлять передачу квантовых состояний между отдельными атомами, используя оптоволокно .

Каналы с помехами

Квантовые повторители

Передаче данных на дальние расстояния препятствуют эффекты потери сигнала и декогерентность , присущая большинству транспортных сред, таких как оптоволокно. При классической передаче данных используются усилители, чтобы улучшить сигнал во время передачи, однако в квантовых сетях, согласно теореме о запрете клонирования, усилители использовать нельзя. Альтернативой усилителям в квантовых сетях является квантовая телепортация , передающая квантовую информацию (кубиты) получателю. Это позволяет избежать проблем, связанных с отправкой одиночных фотонов по длинной линии передачи с высокими потерями. Однако для осуществления квантовой телепортации необходима пара запутанных кубитов , по одному на каждом конце линии передачи. Квантовые повторители позволяют создать запутанность в удалённых узлах без физической отправки запутанного кубита на всё расстояние.

В этом случае квантовая сеть состоит из множества коротких каналов связи , длинной десятки или сотни километров. В простейшем случае, с одним повторителем, создаётся две пары запутанных кубитов: ${\displaystyle |A\rangle }$ и ${\displaystyle |R_{a}\rangle }$ расположенные на отправителе и повторителе, а вторая пара ${\displaystyle |R_{b}\rangle }$ и ${\displaystyle |B\rangle }$ на повторителе и получателе соответственно. Эти начальные запутанные кубиты легко создать, например, с помощью спонтанного параметрического рассеяния , физически передавая один кубит на соседний узел. При этом повторитель может выполнить на кубитах ${\displaystyle |R_{a}\rangle }$ и ${\displaystyle |R_{b}\rangle }$ телепортировав таким образом квантовое состояние ${\displaystyle |R_{a}\rangle }$ в ${\displaystyle |B\rangle }$ . Это имеет эффект «свопинга» запутанности, таким образом, что ${\displaystyle |A\rangle }$ и ${\displaystyle |B\rangle }$ теперь запутанны на расстоянии в 2 раза сильнее, чем начальные запутанные пары кубитов. Сети таких повторителей могут использоваться как линейно, так и иерархическим образом, для создания запутанности на большие расстояния.

Исправление ошибок

Ошибки при передаче данных можно разделить на два типа: ошибки потерь (из-за свойств оптоволокна/среды) и ошибки работы (такие как деполяризация, дефазировка и т. д.). В то время как избыточность можно использовать, чтобы обнаружить и исправить ошибки в классической сети, созданию избыточных кубитов препятствует теорема о запрете клонирования. Поэтому введены другие типы исправления ошибок, как или один из более общих и эффективных алгоритмов. Принцип их работы в распределении квантовой информации через многократно запутанные кубиты так, что и ошибки работы, и ошибки потерь могут быть исправлены.

В дополнение к квантовому исправлению ошибок, классическое исправление ошибок может использоваться квантовыми сетями в особых случаях, таких как квантовое распределение ключа. В этих случаях цель квантовой передачи состоит в том, чтобы надёжно передать строку классических битов. Например, код Хемминга может быть применён к строке битов до кодирования и передачи данных в квантовой сети.

Классические сети с использованием квантового распределения ключей для классической криптографии

Две компании, « (англ.) ( » ( Швейцария ), « (англ.) ( » ( США ) предлагают коммерчески доступные устройства квантового распределения ключей и классической криптографии .

Учёные из Казанского квантового центра КНИТУ-КАИ и Университета ИТМО совместно произвели запуск пилотного сегмента первой в России многоузловой квантовой сети (4 узла, порядка ста кбит/c просеянной квантовой последовательности, линии протяжённостью в единицы км).

В Китае в ноябре 2016 года было завершено создание квантовая коммуникационная линия ^{[ неизвестный термин ] [ уточнить ]} длиной 712 километров Хэфэй-Шанхай с 11 станциями, строительство заняло 3 года. По сообщению планируется, что на её базе будет создана линия Пекин-Шанхай общей длиной порядка 2 тыс. км .

Квантовый «Интернет»

Высказываются предложения создания квантовых сетей, в которых узлы хранили бы квантовые состояния и обменивались ими через «квантовую сеть» с целью создания территориально распределённых квантово-запутанных систем .

Квантовая телефония

Информация в этом разделе устарела . Вы можете помочь проекту, и убрав после этого данный шаблон.

В мае 2019 года российские учёные из Центра научных исследований и перспективных разработок компании «Инфотекс» и МГУ имени М. В. Ломоносова успешно провели публичные испытания первого российского ViPNet QSS Phone, входящего в разработанный и реализованный ими же комплекс защищённой телефонии ViPNet Quantum Security System (ViPNet QSS). Организаторы провели первый сеанс голосовой связи, защищённой с помощью квантового распределения ключей , между офисами « Инфотекса » и Центра квантовых технологий МГУ . Отечественный ViPNet QSS Phone, над которым трудились более трёх лет, не подвержен известным атакам с использованием квантовых компьютеров. Успешность тестирования подтвердили специалисты Центра компетенций Национальной технологической инициативы (НТИ) «Центр квантовых технологий». В продажу установки квантовой телефонии (комплексы ViPNet Quantum Security System (ViPNet QSS) и квантовые телефоны ViPNet QSS Phone к ним) начнут поступать в 2020 году .

См. также

• Квантовая телепортация
• Квантовый компьютер
• Квантовые технологии

Примечания

Литература

• от 1 апреля 2022 на Wayback Machine Глава 6. Квантовые сети и многочастичное перепутывание.
• Квантовый интернет: от 18 августа 2016 на Wayback Machine

Ссылки

• от 23 октября 2009 на Wayback Machine , Network world № 09, 2009