Современный интернет — это сложная глобальная инфраструктура, которая объединяет миллиарды устройств по всему миру. Принцип ее работы основан на передаче данных в виде битов — двоичных единиц информации, которые представляют собой 0 или 1. Эти биты путешествуют по оптоволоконным кабелям, маршрутизаторам и серверам, превращаясь на экранах наших устройств в текст, изображения или видео.
Как работает интернет сегодня
Главный компонент работы интернета — протокол TCP/IP или Transmission Control Protocol/Internet Protocol. TCP отвечает за разбиение данных на небольшие пакеты, их передачу и повторную сборку в исходное сообщение. А IP определяет маршрут, по которому пакеты следуют. Например, когда мы отправляем кому-то видео с котиками, этот файл сначала разбивается на тысячи или миллионы пакетов. Затем они уходят по оптимальному маршруту через сеть, которая состоит из узлов — серверов, маршрутизаторов и коммутаторов. А потом происходит сборка пакетов на стороне получателя.
Но у привычного нам интернета есть несколько серьезных недостатков:
- задержки в передаче данных: оптоволоконные кабели передают световые сигналы — оптические импульсы. Свет в них распространяется быстро — со скоростью около 200 тыс. км/с. Но даже так ему нужно время, чтобы пройти расстояния в тысячи километров. Например, импульс между Европой и Австралией проходит около 20 тыс. км. К тому же, сигнал теряет силу из-за рассеивания света. Для компенсации используются усилители, которые добавляют задержки;
- уязвимость к взлому: шифрование, такое как RSA и AES, основано на математических задачах. И обычные компьютеры могут их решить при достаточной мощности;
- высокие энергозатраты: центры обработки данных, обеспечивающие работу интернета, потребляют более 200 тераватт-часов электроэнергии в год. Это сопоставимо с годовым энергопотреблением Испании или Австралии. Причем значительная часть энергии уходит на охлаждение серверов.
Поэтому ученые ищут новые решения. Одно из них — квантовые сети. Они используют другие способы передачи данных и обещают устранить многие из перечисленных проблем.
Что такое квантовые сети и как они работают
Квантовые сети используют для работы квантовую механику. Они передают информацию не в формате классических битов, а в виде квантовых битов, или кубитов. Это элементы информации, которые могут находиться не только в состояниях 0 или 1, но и в их суперпозиции. Например, кубит может быть одновременно «немного 0» и «немного 1» с определенной вероятностью.
Александр Щукин, технический директор хостинг-провайдера Tendence.ru, рассказал о технологии квантовых сетей и ее преимуществах:
«Квантовая сеть представляет собой коммуникационную инфраструктуру, использующую принципы квантовой механики для передачи данных.
Развертывание квантовых сетей требует качественно иной технической базы. Если оптоволоконные кабели в целом пригодны для построения квантовых сетей, то используемые на них сейчас оптические ретрансляторы придется заменить. Один из крупнейших мировых хостинг-провайдеров Amazon.com Inc. в 2023 году заявила о планах выращивания искусственных алмазов для оперирования кубитами в квантовых сетях будущего. Компания надеется запустить производство в ближайшие годы и получить таким образом преимущество перед своими конкурентами Microsoft и Google.
Предполагается, что одним из основных преимуществ квантовых сетей будет недостижимая для существующих сетей защита от перехвата передаваемой информации. При попытке кражи в квантовой сети кубит потеряет свое состояние суперпозиции, целостность информации будет нарушена, что станет сразу же известно как отправителю, так и получателю».
То есть, данные в квантовых сетях буквально телепортируются. Состояние одного кубита передается на другой кубит, находящийся на расстоянии. Это называется квантовой телепортацией. Сначала два кубита создаются в запутанном состоянии. Один из кубитов отправляется к получателю, а другой остается у отправителя. Отправитель проводит измерение своего кубита и отправляет результат по классическому каналу — например, по обычному интернету. А получатель восстанавливает состояние отправленного кубита с помощью этих «мерок». То есть, кубит собственной персоной не путешествует через пространство — передается только его состояние».
Но смогут ли квантовые сети обеспечить полную защиту данных в реальных условиях, или останутся уязвимости? Объясняют эксперты отдела исследований компании «Рексофт Консалтинг»:
«Несмотря на повышение безопасности каналов связи с внедрением квантового распределения ключей (КРК), уязвимости останутся.
Во-первых, не для всех протоколов передачи квантового ключа существуют полные доказательства безопасности. Однако при атаках на протокол с доказанной секретностью вмешательство злоумышленника всегда детектируемо и может привести только к снижению скорости выработки ключа.
Во-вторых, системы КРК подвержены техническим атакам из-за несовершенств оборудования. Список атак как на протоколы, так и на физическую реализацию, постоянно пополняется, как и список стратегий защиты от них.
Кроме того, использование квантово-защищенных каналов информации, хоть и сводят к минимуму влияние человеческого фактора по сравнению с классическими решениями, но не избавляет от него полностью. Также на практике квантовые сети часто работают вместе с традиционными системами, которые сами могут быть уязвимыми».
Примеры текущих проектов квантовых сетей и их прогресс
Дефицит подходящей инфраструктуры, в том числе современных оптоволоконных кабелей, задержит распространение квантового интернета примерно на десятилетие, а подключение пользователей в крупных городах займет ещё пять-десять лет. Но есть ли более точные сведения о том как скоро можно ожидать появления первых коммерчески доступных квантовых сетей? Вот что говорят эксперты «Рексофт Консалтинг»:
«Такие сети уже существуют. Китай является безусловным лидером в этой области. К квантовой оптоволоконной линии Пекин-Шанхай уже подключены 150 организаций, включая государственные и местные банки, энергетические сети и правительственные учреждения, сейчас протяженность китайской квантовой сети превышает 10000 км. Китай первым реализовал спутниковую квантово-защищенную связь. Первый спутник “Мо-цзы” запущен в 2016 году, второй “Цзинань-1”- в 2022 году.
Кроме того, волоконные квантовые сети активно развиваются в таких странах, как США, Австрии, Италии, Канаде, Сингапуре и др. В Евросоюзе к 2030 году планируется создание и внедрение квантовой сети.
В России уже сейчас коммерчески доступны и серийно выпускаются системы КРК от компании ИнфоТеКС такие как ViPNet QSS и ViPNet QTS (являются сертифицированными, т. е. разрешенными регулятором к использованию в криптографических целях), Квалион и Квакс от Смартс Кванттелетеком и системы от QRate.
Кроме того, в 2021 году проложен первый участок магистральной квантовой сети (МКС) между Москвой и Санкт-Петербургом длиной 700 км (на момент запуска — второй по величине в мире), по итогам 2023 года протяженность МКС составила 3295 км. Ожидается, что длина сети к 2030 году достигнет 15 000 км.
Активно развивается межуниверситетская квантовая сеть (МУКС). Сейчас она связывает МГУ им. М. В. Ломоносова, ТУСУР, МИСИС и МТУСИ. Кроме того, в 2024 году компаниями ИнфоТеКС и ТрансТелеКом проведены испытания, которые подтвердили возможность использования КРК в современной телекоммуникационной инфраструктуре с частотным уплотнением каналов без выделения отдельного волокна для КРК».
Ниже — примеры уже существующих проектов:
1. Квантовая магистраль Пекин — Шанхай
Китай лидирует в разработке квантовых сетей. В 2017 году в поднебесной запустили первую в мире квантовую магистраль длиной более 2 тыс км. Она соединяет Пекин и Шанхай. Работает эта сеть на основе квантовой криптографии, используя фотоны для передачи ключей шифрования.
2. Quantum Internet Alliance
Проект Quantum Internet Alliance объединяет 12 стран ЕС и более 20 научных и технологических организаций. Это первый европейский прототип квантового интернета. Основные европейские города планируют соединить в единую квантовую сеть к 2030 году.
3. DARPA Quantum Network
DARPA Quantum Network называют первой квантовой сетью. Ее построили в Бостоне и Кембридже, штат Массачусетс. Работала сеть с 2003 по 2007 год. Первые ее части запустили в октябре 2003 года, а позже сеть расширили до двух близлежащих университетов с помощью оптоволокна, проложенного под улицами Кембриджа.
Хоть технология и активно развивается, все же, существуют некоторые проблемы, которые придется решить прежде, чем квантовые сети станут доступными для массового пользования. Вот что об этих технических моментах говорят эксперты «Рексофт Консалтинг»:
«На данный момент оборудование для КРК — это решение, требующее больших финансовых вложений и обслуживающего персонала. Одно из технологических ограничений — потери сигнала при его распространении в оптическом волокне. В связи с этим появляется необходимость создавать дополнительные доверенные узлы (прием-передача) каждые ~ 100 км, что приводит к снижению безопасности передачи данных. Другой подход — спутниковая квантовая связь. На данный момент только Китай обладает такими технологиями, в России активно ведутся исследования по данной тематике.
Другая проблема заключается в том, что квантовое распределение ключа возможно между устройствами, которые подключены к волоконной линии, что подразумевает стационарность таких устройств. Реализация мобильных решений через атмосферные каналы подразумевает нахождение устройств в пределах прямой видимости, а это означает зависимость от погодных условий и ограничения видимости в городской среде».
Ранее Наука Mail публиковала экспертную колонку, как и почему ИИ-агент OpenAI вышел за пределы тестовой среды и атаковал Hugging Face.