Прошлый год был отмечен множеством разработок, связанных с квантовыми коммуникациями. Одной из наиболее «громких» новостей в этой связи стала информация об ученых из Китая, которые организовали передачу данных в рамках квантовой сети на расстояние более 1200 километров. По словам Scientific American, этот эксперимент выводит Китай в лидеры «квантовой гонки» за создание безопасной глобальной сети квантовых коммуникаций.
Расскажем, чем примечателен этот эксперимент и какие еще разработки в сфере квантовых коммуникаций развивались в прошлом году — в том числе в Университете ИТМО.
Фото Университета ИТМО
В 2017 году китайские исследователи сделали серьезный шаг к модели создания масштабной квантовой сети. В рамках своего эксперимента китайские ученые поставили рекорд по дальности квантовой телепортации. В отличие от «наземных» проектов, когда прием и передача запутанных частиц происходит по оптоволокну, в китайском эксперименте для передачи квантового сигнала использовался запущенный в 2016 году на околоземную орбиту спутник квантовой связи Мо-цзы (назван в честь древнекитайского философа). Использование спутника позволяет сделать передачу сигнала более надежной (благодаря тому, что в вакууме на фотоны, находящиеся в запутанном состоянии, меньше подвержены внешнему воздействию) и, следовательно, передавать сигнал на большие расстояния.
Николя Жисен, профессор из Женевского Университета, заявил, что «Этот проект демонстрирует, что глобальные квантовые коммуникации возможны и будут реализованы в ближайшем будущем». 600-килограммовый «Мо-цзы» для Китая — первый из целого семейства спутников, которые планируется создать в рамках программы проведения квантовых экспериментов в космосе (Quantum Experiments at Space Scale, QUESS).
Научные обозреватели считают, что проведенный эксперимент сложно назвать первым этапом реального создания глобальной сети квантовых коммуникаций — скорее это доказательство того, что подобная сеть в принципе может быть создана. Для организации квантовых коммуникаций, имеющих практическую полезность, объем данных, которыми обменивается Мо-цзы с наземными станциями, оказывается слишком мал.
Другие проекты по организации квантовой сети коммуникаций с использованием спутников пока демонстрируют более скромные результаты: спутник Канадского космического агентства будет запущен в космос только через 5 лет, другие проекты, например, разработки из Национального университета Сингапура, имеют ограниченные возможности — по сравнению с тем, что удалось в рамках эксперимента с Мо-цзы.
Альтернативный подход разрабатывают ученые из научно-исследовательского центра «Институт науки о свете» Общества Макса Планка. Там работают над созданием протоколов квантовой коммуникации для систем, уже установленных на европейских спутниках из космической программы «Коперник». По словам авторов проекта, их разработки не используют состояние квантовой запутанности, но при этом в течение ближайших пяти лет смогут использоваться для передачи квантового ключа.
Фото Университета ИТМО
Наряду с глобальной космической сетью, не теряют актуальности и проекты, реализующие передачу запутанных фотонов на меньшие расстояния с помощью оптоволокна.
Такие проекты развиваются и в России — над ними, в частности, работают в Университете ИТМО. Решение развивать это направление в Университете приняли более 10 лет назад — хотя тогда, как отмечает декан факультета фотоники и оптоинформатики Сергей Козлов, не было уверенности в том, что ученые Университета ИТМО смогут достичь успеха в этой области:
В итоге в 2014 году сотрудники компании «Квантовые коммуникации» запустили первую в России городскую линию квантовой связи, а в прошлом году реализовали первую в СНГ многоузловую квантовую сеть, связывающую коммутационные станции компании «Таттелеком» и здания квантового центра КНИТУ-КАИ в Казани.
Особенности разработки из Университета ИТМО состоят в том, что она задействует существующие каналы передачи информации (эта особенность была использована в рамках создания многоузловой квантовой сети), позволяет передавать данные на расстояния более 200 км. на скоростях выше, чем у зарубежных аналогов, и с большой эффективностью.
Все это достигается за счет использования поднесущих частот, когда в результате фазово-частотной модуляции квантовые сигналы выносятся на соседние частотные компоненты (более подробно о том, как реализована эта разработка, мы рассказывали в этом материале).
В этом году разработки в сфере квантовой криптографии и квантовых коммуникаций продолжатся — как на земле, так и в космосе. Вне зависимости от того, какие именно решения будут использованы при реализации сети квантовой коммуникации, у этого направления большое будущее — особенно учитывая развитие Интернета вещей и технологий «умного» города:
Расскажем, чем примечателен этот эксперимент и какие еще разработки в сфере квантовых коммуникаций развивались в прошлом году — в том числе в Университете ИТМО.
Фото Университета ИТМОЧто сделали в Китае
В 2017 году китайские исследователи сделали серьезный шаг к модели создания масштабной квантовой сети. В рамках своего эксперимента китайские ученые поставили рекорд по дальности квантовой телепортации. В отличие от «наземных» проектов, когда прием и передача запутанных частиц происходит по оптоволокну, в китайском эксперименте для передачи квантового сигнала использовался запущенный в 2016 году на околоземную орбиту спутник квантовой связи Мо-цзы (назван в честь древнекитайского философа). Использование спутника позволяет сделать передачу сигнала более надежной (благодаря тому, что в вакууме на фотоны, находящиеся в запутанном состоянии, меньше подвержены внешнему воздействию) и, следовательно, передавать сигнал на большие расстояния.
Николя Жисен, профессор из Женевского Университета, заявил, что «Этот проект демонстрирует, что глобальные квантовые коммуникации возможны и будут реализованы в ближайшем будущем». 600-килограммовый «Мо-цзы» для Китая — первый из целого семейства спутников, которые планируется создать в рамках программы проведения квантовых экспериментов в космосе (Quantum Experiments at Space Scale, QUESS).
Ложка дегтя
Научные обозреватели считают, что проведенный эксперимент сложно назвать первым этапом реального создания глобальной сети квантовых коммуникаций — скорее это доказательство того, что подобная сеть в принципе может быть создана. Для организации квантовых коммуникаций, имеющих практическую полезность, объем данных, которыми обменивается Мо-цзы с наземными станциями, оказывается слишком мал.
Другие проекты по организации квантовой сети коммуникаций с использованием спутников пока демонстрируют более скромные результаты: спутник Канадского космического агентства будет запущен в космос только через 5 лет, другие проекты, например, разработки из Национального университета Сингапура, имеют ограниченные возможности — по сравнению с тем, что удалось в рамках эксперимента с Мо-цзы.
Альтернативный подход разрабатывают ученые из научно-исследовательского центра «Институт науки о свете» Общества Макса Планка. Там работают над созданием протоколов квантовой коммуникации для систем, уже установленных на европейских спутниках из космической программы «Коперник». По словам авторов проекта, их разработки не используют состояние квантовой запутанности, но при этом в течение ближайших пяти лет смогут использоваться для передачи квантового ключа.
Фото Университета ИТМО
Проекты Университета ИТМО
Наряду с глобальной космической сетью, не теряют актуальности и проекты, реализующие передачу запутанных фотонов на меньшие расстояния с помощью оптоволокна.
Такие проекты развиваются и в России — над ними, в частности, работают в Университете ИТМО. Решение развивать это направление в Университете приняли более 10 лет назад — хотя тогда, как отмечает декан факультета фотоники и оптоинформатики Сергей Козлов, не было уверенности в том, что ученые Университета ИТМО смогут достичь успеха в этой области:
Мы поняли, что это направление станет важным, 12 лет назад, хотя тоже могли промахнуться, ничего нового не придумать и прийти в тупик. Но сейчас в Университете ИТМО уже есть малое инновационное предприятие «Квантовые коммуникации», которое занимается квантовой криптографией.
В итоге в 2014 году сотрудники компании «Квантовые коммуникации» запустили первую в России городскую линию квантовой связи, а в прошлом году реализовали первую в СНГ многоузловую квантовую сеть, связывающую коммутационные станции компании «Таттелеком» и здания квантового центра КНИТУ-КАИ в Казани.
Особенности разработки из Университета ИТМО состоят в том, что она задействует существующие каналы передачи информации (эта особенность была использована в рамках создания многоузловой квантовой сети), позволяет передавать данные на расстояния более 200 км. на скоростях выше, чем у зарубежных аналогов, и с большой эффективностью.
Все это достигается за счет использования поднесущих частот, когда в результате фазово-частотной модуляции квантовые сигналы выносятся на соседние частотные компоненты (более подробно о том, как реализована эта разработка, мы рассказывали в этом материале).
В этом году разработки в сфере квантовой криптографии и квантовых коммуникаций продолжатся — как на земле, так и в космосе. Вне зависимости от того, какие именно решения будут использованы при реализации сети квантовой коммуникации, у этого направления большое будущее — особенно учитывая развитие Интернета вещей и технологий «умного» города:
«Любые устройства, которыми мы сейчас пользуемся в повседневной жизни – светофоры, мобильные телефоны – используют шифрование. И постепенно мы можем настраивать квантовую криптографию для использования и в таком масштабе, и интегрировать классических потребителей коммуникаций в защищенные каналы передачи данных», – говорит Артур Глейм, гендиректор ООО «Квантовые коммуникации».
