Квантовые коммуникации и сети

СЕГОДНЯ МЫ УЗНАЕМ:

Что такое квант и может ли он долететь до

Часть I
Что такое квантовые технологии?

Что такое квант?

Квант – фундаментальная (минимальная и неделимая) порция энергии, а

Первая квантовая революция (начало XX века)

Сформулированы фундаментальные законы квантовой физики, «неклассически»,

Вторая квантовая революция (начало XXI века)

Создание устройств и технологий на основе

Это всё так запутано…

Квантовая информация записывается в квантовых битах (кубитах):
До измерения:

Фундаментальные квантовые свойства:

Неопределённость – чем точнее измеряется одна характеристика объекта, тем

1. Неопределённость

Квантовый объект: Цвет яблока неизвестен, диаметр – 5 см Красное яблоко,

Квантовый объект: яблоко и зелёное, и красное (до измерения!)

2. Не-реализм

Классический объект: яблоко

3. Нелокальность: классический объект с квантовыми свойствами

Каждый носок – это кубит:

Определение квантовой технологии (по Дж. Даулингу)

Неопределённость

Не-реализм

Нелокальность

Квантовая
телепортация

Квантовая
криптография

Квантовый
ГСЧ

Квантовые технологии

Квантовые коммуникации

Квантовые сенсоры

Квантовые вычисления

Для передачи информации (телепортация, сверхплотное кодирование)

Для защиты

Часть II
Зачем нужны квантовые коммуникации?

Пример: шифр Цезаря

Kлюч = «Сдвинуть на 3 позиции»

Криптография

Нултсёугчлв

Криптографический ключ

Проблема передачи ключа

3. Шифрование данных (симметричная криптография) и передача сообщения

2. Передача ключа

Шифрование ключа

Легко

Сложно

491 x 877

430 607

Легко

Сложно

Односторонние функции

Фундамент современной криптографии:
Время, требуемое на расшифровку
существенно превышает время актуальности

Разложите на простые множители:

430 607 =
491 x 877

Не проблема… для

В 2012 году группа учёных из Университета Калифорнии создала первый квантовый

Почему квантовые вычисления эффективнее?

Перебирает все комбинации «по очереди»

Перебирает все комбинации «сразу»

Прогресс в области квантовых вычислений?

Компании, занимающиеся разработкой квантовых компьютеров

Квантовый компьютер IBM

Угроза безопасности от квантового компьютера не только не даст развивать новые

ДА!

Существует ли «золотой ключик», устойчивый даже к квантовым вычислениям?

Абсолютно стойкий ключ (АСК)

Шифр Вернама, метод одноразовых блокнотов (1917 г.)

Текст (XOR)

Как передать АСК?

С помощью неопределённости, не-реализма и нелокальности – квантовая телепортация
С

Итог: новая парадигма безопасности

Легко

Современный подход: безопасность = математика

Сложно

но НЕ невозможно для:

Квантовых

Часть III
Квантовая телепортация

Квантовая телепортация

Ожидание

Реальность

Передача информации…мгновенная?

Bouwmeester D., Pan J.-W., Mattle K., Eibl M., Weinfurter H.,

Проведем классический эксперимент

Лектор ходит в разных носках: один коричневый, другой оранжевый
На

Квантовая телепортация:

на курорте…

и в космосе!

Как фотоны долетают до спутника?

(Ответ: «Очень плохо, но долетают»)

Часть IV
Квантовая криптография
(квантовая рассылка ключа)

Схема квантовой рассылки ключа

Защищённый квантовый
канал: для рассылки ключей

Открытый классический
канал:

…разделить одиночный фотон

…скопировать одиночный фотон

…повторно измерить одиночный фотон (не разрушив его

?

Отправитель

Получатель

Нарушитель

Пример протокола квантовой криптографии

Штука, которая испускает фотоны (ослабленный лазер)

Одинаковые штуки, которыми

Получение «квантового» ключа

01

1000011101010101…

Два поляризационных
базиса

Выбирается случайно

Выбирается случайно

Выбирается случайно

Получатель производит измерения в одном из двух

Первая установка квантовой криптографии (1984)

Авторы: Жиль Брассард и Чарльз Беннетт

Дальность

Часть IV
Современное состояние
квантовых коммуникаций

Квантовые сети сегодня

2001 – США 2009 – Китай
2003 – Европейский

2004: Первое использование квантовых коммуникаций в банке

США, ЕС, Швейцария, Китай, Япония,

(Возможно) крупнейшая квантовая сеть в мире
Сеть Пекин-Шанхай
2000 километров
32 узла-ретранслятора
1-10 кбит/с –

Shanghai control center of the Chinese quantum key distribution network

Photo © 2016

Beijing

Lijiang

Ali

Denglingha

Urumqi

~1200km

High-rate QKD between satellite and ground
Quantum entanglement distribution from satellite to

Национальная квантовая сеть США?

Организатор: Battelle
Цель: Создание национальной квантовой сети и дальнейшее

SwissQuantum (2009-2011)

Основные результаты:
Системы КРК тестируются в пятерке крупнейших банков Швейцарии
Показана

Tokyo QKD network (Япония, 2008)

Основные результаты:
Реализована передача видеосигнала, закодированного с

Quantum network testbeds in Russia

Saint Petersburg:
Backbone QKD networks

Kazan:
QKD networks with trusted

В области сетей:
Искажения квантового сигнала в волокне;
Низкая скорость рассылки ключей (по

Схема “Plug & Play”квантовой криптографии

Позволяют компенсировать поляризационные искажения квантового сигнала за

Низкая скорость квантовых ключей Решение: КРК для обновления ключей в СКЗИ

Так можно

Отсутствие повторителей и усилителей. Решение: доверенные узлы-ретрансляторы

Альтернатива: сети КРК с оптическими переключателями

Между каждой парой А и Б генерируется уникальный ключ (свойство КРК).

Архитектура

А

Б

А2

Б2

WDM
MUX

WDM
DEMUX

К2

К1

К2

К1

А

Б

2. Несколько квантовых каналов в одном волокне (PON с разделением по

Передавать по одному волокну квантовые ключи и данные – возможно, но

Квантовая сеть как ещё один уровень защиты

Квантовые трансиверы

Криптомаршрутизатор

Защищаемая сеть (LAN)

Оптически переключатели

Подведем итоги:

«Квантовый интернет»
Пока что ограничен по скорости и дальности,
Реализует новые методы

Тестовые вопросы

«Квантовое превосходство» в вычислениях:
Только предсказано теоретически
Достигнуто экспериментально в 2019 году
Google