Пора ли отказываться от обычного Интернета в пользу квантового?

Современный интернет полагается на сложные алгоритмы шифрования для защиты информации, но хакеры приспосабливаются и учатся обходить такие системы, что приводит к кибератакам по всему миру. По прогнозам экспертов, ущерб экономике от кибератак продолжит свой рост, хотя мировая экономика уже теряет триллионы долларов ежегодно. С учетом этого, интерес к поиску альтернативы интернету выглядят всё более обоснованным, и создание квантовой сети выглядит хорошей заменой стандартным методам шифрования.

Благодаря команде ученых, создавших прототип многопользовательской квантовой сети, человечество стало ближе к созданию безопасного аналога интернета. В публикации разобрана квантовая сеть, объединяющая 8 пользователей в связный граф, и это самая большая на момент выхода статьи сеть, не требующая никаких доверительных узлов. То есть, любой пользователь может одновременно обмениваться защищённым ключом с любым другим, для чего требуется только 8 пар каналов длин волн и минимальное пользовательское оборудование.

Благодаря законам физики, в сети возможна передача сообщения полностью безопасными от перехвата способом. А в силу относительной, по сравнению с другими квантовыми сетями, дешевизне, также получается преодолеть серьезные проблемы, которые ранее ограничивали прогресс в этой технологии.

Запутываем определениями

Чтобы дальнейший материал был доступен для широкой аудитории, начну с азов. Уже давно физики разработали квантовое распределение ключей, метод безопасной передачи ключа. Он основан на том, что данные кодируются в состояниях фотона, которые в соответствии с законами квантовой механики меняются при попытке измерения. Этот процесс позволяет двум сторонам без риска перехвата обмениваться секретным ключом, используемым для шифрования и дешифрования информации. До недавнего времени этот метод был эффективен только между двумя пользователями.

Кроме того, в квантовой технике применяется принцип, называемый квантовой запутанностью. Это явление, при котором квантовое состояние двух или большего числа объектов должно описываться во взаимосвязи друг с другом, даже если отдельные объекты разнесены в пространстве. Этот процесс открывает большие возможности для квантовых компьютеров, сенсоров и обработки информации.

Объясняем реализацию

Более ранние модели квантовых сетей можно разбить на несколько типов:

  • Первые опирались на доверительные узлы, которые должны быть безопасны от прослушивания. На практике редко удаётся доверять каждому узлу. Кроме того, каждый узел использовал много копий принимающего и отправляющего оборудования, что заметно увеличивало затраты. Более подробно с этим вариантом сетей можно разобраться на этом примере.

  • Вторые давали возможность одновременно обмениваться ключом только определённым парам пользователей. Например, в этой статье один централизованный источник динамически распределяет двустороннюю запутанность между пользователями с помощью оптических коммутаторов.

  • Третьи сети связывали всех пользователей, но часто основывались на многочастичной запутанности, что препятствовало их масштабированию. К счастью, построить такую сеть можно и с использованием мультиплексирования. Хорошим примером может служить данная модель, но она всё равно требует O(n^{2})каналов длин волн для n пользователей, что делает масштабирование этой технологи практически невозможным.

Благодаря использованию плотного мультиплексирования с разделением по длине волны получилось создать сеть, использующую 16 каналов длины волны. Для сравнения, в предыдущей публикации этой группы учёных для создания сети с 8 пользователями им понадобилось 56 каналов.

Если разделить архитектуру на различные уровни абстракции, то на физическом уровне топология сети требует только одного волокна между пользователем и поставщиком услуг, в то время как на логическом уровне топология формирует связный граф между всеми 28 парами, которые можно составить из восьми пользователей.

Каждый пользователь получает четыре канала длин волн, обозначенных числом. При этом, было выбрано 16 каналов длин волн, симметрично расположенных относительно длины волны вырождения 1550,217 Нм, что соответствует 34 каналу МСЭ. На красной стороне спектра были использованы частотные каналы МСЭ 26-33, на синей – каналы 35-42. Из-за хорошо определенной длины волны накачки лазера и сохранения энергии при понижающем преобразовании, оказалось возможным получить поляризационную запутанность между парами каналов (26 и 42, 27 и 41, 28 и 40 и так далее).

Все пары пользователей соединены между собой через протокол BBM92, в котором фотоны, совместно используемые всеми другими пользователями, рассматриваются как фоновый шум. Узкое окно совпадения, гарантирует, что этот шум вносит лишь минимальный вклад в частоту квантовых битовых ошибок (QBER).

Проводим эксперименты

Эксперимент разделялся на 2 этапа. На первом этапе пользователи были подключены через волокно длиной около 10 м на территории лаборатории. В течение 18.45 часов собирались данные о скорости генерации ключа. Закрытый ключ вычислялся раз в 10 минут для того, чтобы параметр безопасности составил 10^{-5}. Ниже приведена статистика для всех 28 пар пользователей.

Как можно заметить, некоторые пользователи соединены двумя фотонными парами. Например. Алиса и Гопи имеют пары {8, −8} и {2, −2}. Это помогает более эффективно управлять сетью, увеличивая скорость генерации ключа для определённых пользователей.

Поражаем результатом

Чтобы продемонстрировать функциональность на расстоянии, на 2 этапе эксперимента пользователей подключили через оптическое волокно в различных частях Бристоля, а способность передавать сообщения с помощью квантовой связи проверили при помощи существующей в городе волоконно-оптической сети.

Со стороны пользователя для подключения требовались только модуль поляризационного анализа и 2 однофотонных детектора. В итоге, на физическом уровне от пользователя требуются минимальные ресурсы для подключения, в то время как на логическом уровне каждая пара пользователей всегда имеет общую запутанную пару фотонов.

Подводим итоги

В то время как на построение предыдущих квантовых систем требовались годы, а затраты исчислялись миллионами или даже миллиардами фунтов стерлингов, эта сеть была создана за нескольких месяцев менее чем за 300 000 фунтов стерлингов. Выгода становится более наглядной по мере расширения сети, например, создание квантовой сети на 100 пользователей могло стоить около 5 миллиардов фунтов стерлингов. В то же время, доктор Джоши считает, что технология мультиплексирования может сократить затраты примерно до 4,5 миллионов фунтов стерлингов, что составляет менее 1 процента!

В последние годы квантовая криптография успешно используется для защиты транзакций между банковскими центрами в Китае и для защиты голосов на выборах в Швейцарии. Однако его более широкое применение сдерживается исключительно масштабом задействованных ресурсов и связанных с этим расходов.

По словам доктора Джоши, человечество сделало огромный шаг к созданию безопасного аналога Интернета:

С таким масштабом экономии перспектива общедоступного квантового интернета становится всё менее туманной. Мы это доказали, и, продолжая совершенствовать наши методы мультиплексирования для оптимизации и совместного использования ресурсов в сети, мы могли бы рассчитывать на обслуживание не только сотен или тысяч, но и потенциально миллионов пользователей в недалеком будущем.

Similar posts

Ads
AdBlock has stolen the banner, but banners are not teeth — they will be back

More

Comments 12

    0

    И чем обычный интернет отличается от квантового? Только тем, что использоваться будет квантовое шифрование? А все остальное. и прежде всего сама сеть (каналы и т.д. ) останется прежней? А если я не использую шифрование?
    Какой-то нонсенс.
    Итак, какие отличительные черты квантового интернета:


    1. Первое
    2. Второе


      N. N-ое


      +1
      Анекдот для затравки
      Общаются в магазине электроники продавец с покупателем.
      — О, вы ищете новый вентилятор? Берите вот этот, розовый!
      — А сколько он выдает оборотов?
      — А какая разница? Он же розовый!


      Квантовый интернет — в некотором роде buzz word. У нас есть проводной интернет (сигналы между устройствами идут по проводам), радио интернет, спутниковый интернет (сигналы идут через спутник), «лазерный» интернет (данные передаются световым лучом).

      В квантовом случае мы имеем новый канал передачи данных, с одной дополнительной фичей: детектом наблюдателей.

      Грубо говоря (очень грубо), Алиса и Бетти хотят обмениваться сигналами так, чтобы их никто не перехватил. Они настраивают световой канал передачи данных, который делает несколько вещей:
      1. Передатчик переводит данные на Алисиной стороне в набор фотонов
      2. Передатчик добавляет «контрольные» фотоны (опционально).
      3. Передатчик применяет к фотоны квантовые операции Op-1, Op-2, Op-3,… Op-n. Этот набор операций заранее согласовывается при личной встрече, по защищенному каналу, или скачивается с доверенного узла.
      4. Передатчик перекидывает фотоны по лучу.
      5. Приемник на стороне Бетти принимает фотоны, и применяет к ним операции обратные к Op-n, ..., Op-3, Op-2, Op-1.
      6. Профит!


      Данные по лучу передаются в состоянии суперпозиции, именно для этого используются Op-1, Op-2, Op-3… Значит, если мы выдерем фотон посредине этого луча, он при измерении может дать как единицу, так и ноль. N фотонов выдадут 2^N числовых комбинаций — по факту, случайное число.

      Что важнее, из-за квантовой природы передаваемых фотонов нельзя копировать «перехваченные» кубиты. То есть, случайное число, которое увидит перехватчик, породит случайное число на приёмнике. Посколько контрольные фотоны случайного числа на приемнике покажут кашу — Бетти узнает, что кто-то пытается прочесть пересылаемые данные (при этом не получив сами данные).

      Сама статья про техническую часть приемников и передатчиков. Если в сети есть Алиса\Боря\Галя\Даша… всего 100 человек, очень не охота настраивать каналы каждый-к-каждому. Авторы оригинальной статьи показали как можно сделать передатчик, принимающий\передающий данные на разных длинах волн, что позволяет общаться с Дашей на 100нм, с Борей на 200нм, Галей на 300нм, и т.д. Вместо 99000 передатчиков потребуется только 100.

      Edit1. В целом, если прямо сейчас старик Хоттабыч заменит все Циски на «квантовые роутеры» — ничего в интернете не поменяется. В частностях же сокрыто столько дьяволов, что в ближайшие лет 5(0) область применения у подобных девайсов будет крайне ограничена.
        +1
        Да, но Бетти тоже не получит сами данные, а только узнает что кто то их пытается перехватить. Получается это идеальный способ мешать людям работать в интернете и для шантажа. Типа не заплатишь, не сможешь получать данные. Вот если бы параллельно с узнаванием что кто то пытается, можно было дальше работать. то да… Тогда бы даже пофиг было пытается кто то или нет.
        0
        Спасибо за комментарий, в этой статье я старался опустить детали реализации сети для того, чтобы не перегружать статью.

        Если кратко, то общее только оптоволокно. Поскольку передача данных шла на длине волны, которая близка к 1550 нм, использовать стандартное оптоволокно можно. Оборудование, разумеется, разное. К примеру, у пользователя должны быть 2 фотонных детектора и модуль поляризационного анализа. Если вам интересно узнать всё более детально, то этому уделено достаточно внимания в разделе «MATERIALS AND METHODS» статьи.

        Если говорить о фундаментальных отличиях, то информация в квантовых сетях хранится в кубитах. Ещё одно отличие квантового интернета от обычного заключается в том, что в квантовом возможно обеспечить безопасность благодаря физическим свойствам.
        +1
        Идея хорошая, но боюсь, денег на реализацию не соберёт. По-крайней мере, в ближайшем будущем. Это если думать про глобальную сеть. Может быть корпорации будут использовать для внутренних потребностей.
          0
          У квантового шифрования есть недостаток фича — чтобы получился именно интернет, т.е. сеть — нужны ретрансляторы и концентраторы. А в случае с шифрованием, каждая пара/группа пользователей, чтобы обеспечить надежную передачу данных, должны устанавливать свои модули в каждый узел-ретранслятор на пути между друг другом, с уровнем защиты, определяющим на сколько им нужна надежность (запихнуть каждый в свой сейф с личной обслугой) — т.е. стоимость линейно возрастает от количества узлов и клиентов. Отдельный вопрос о технической возможности этого и ограничению количества.

          И да, повторюсь, не получится поставить один ретранслятор всем — он нужен каждому клиенту на каждом узле.

          p.s. читай, интернета не будет, а будет персональная услуга избранным.
          А в наших текущих реалиях, заботиться о защите каждого пользователя никто не будет, никто от своих доходов отказываться не будет, ведь клиенты и есть товар.

          p.p.s. кто-нибудь задался вопросом, а зачем нужна абсолютная защита от прослушки? текущие алгоритмы уже ненадежны?
            0
            еще надежны. но когда квантовые компьютеры перейдут из разряда эксперементальных в опытно-промышленные, то станут ненадежными.
              –1
              Нет, квантовые компьютеры не являются универсальной пилюлей.

              Да, они дают скачок на порядок или больше, но против них так же существуют защита — как только заговорили о квантовых вычислениях, стали разрабатываться, достаточно успешно, алгоритмы, устойчивые к взлому ими.
            0

            В начале статьи сказано, что мировая экономика теряет триллионы долларов ежегодно. Но мировая экономика ничего не теряет, происходит перераспределение богатства от «честных бизнесменов» к «нечестным хакерам». Ведь украденные деньги не сгорают, их просто начинают тратить друге люди.

              0
              Причем, если честные бизнесмены тратят эти деньги на предметы роскоши или складывают в кубышку, то нечестные хакеры их тратят в основном на жизнь. А значит от хакеров простым гражданам достанется больше чем от бизнесменов.
              0

              Нет. (Ответ на вопрос заголовка). шифрование транспорта квантовым образом не решит проблем безопасности

                0

                Главное, чтобы он был гипертекстовым и векторным. А квантовый или неквантовый — это мелочи.

                Only users with full accounts can post comments. Log in, please.