Технологии квантовых коммуникаций, которые изменят мир связи

Сегодня передачу данных между узлами квантовой сети выполняют так называемые доверенные промежуточные узлы связи. То есть владелец сети контролирует все оборудование, которое генерирует, передает и принимает элементарные частицы, которые и переносят информацию. Само по себе это неплохо – подключение к ним злоумышленников исключено самой архитектурой сети. Однако такое построение систем связи не позволяет подключать большое число абонентов к инфраструктуре. 

Для масштабирования квантовых коммуникаций предстоит создать технологию «недоверенных промежуточных узлов связи». То есть разработать такие устройства и системы, которые обеспечивали бы необходимый уровень безопасности, требуемую пропускную способность и гарантировали надежность коммуникаций. В теории это возможно, остается найти технологическое решение.

Сегодня это одно из приоритетных направлений исследований, которые финансируются в рамках государственных программ.

Ключевым барьером пока является недостаточный уровень готовности технологии квантовой памяти. Квантовая память – это устройство или система устройств, которые могут эффективно сохранять и поддерживать квантовые состояния кубитов. К сожалению, пока передача и сохранение квантовых состояний фотонов в сетях – задача сложная и труднорешаемая. Но ученые уверены, что найдут решение. Преодоление же этого ограничения, как ожидается, станет революционным шагом по внедрению квантовых коммуникаций повсеместно.

Основным каналом передачи квантовой информации сегодня являются оптоволоконные линии связи. Но протянуть оптоволокно до каждого абонента, компьютера или мобильного телефона невозможно. Поэтому следующий логичный этап развития технологии – создание квантово-защищенных атмосферных каналов связи. Предстоит разработать целый класс оборудования, которое сможет генерировать и принимать информацию на подвижных объектах (поезда, автомобили, самолеты) и космических аппаратах. Это позволит использовать технологию квантовой связи в отдаленных уголках страны или на переносных устройствах.

В настоящее время ряд стран (Китай, Россия, США, Канада, Индия и др.) разрабатывает системы квантового распределения ключей с применением низкоорбитальных спутников. Ведутся эксперименты по работе узлов квантово-защищенной связи на малых космических аппаратах на околоземной орбите, а также на Международной космической станции.

В перспективе комбинирование атмосферных и космических квантовых каналов передачи данных открывает возможности для создания глобальных квантовых сетей, охватывающих различные уровни атмосферы и орбиты.

Повсеместное использование квантовых коммуникаций невозможно без создания оборудования для конечных потребителей. Компьютеры, смартфоны, модемы, датчики интернета вещей (IoT) и множество других устройств связи, которыми мы пользуемся каждый день, предстоит научить принимать и обрабатывать сигналы квантовых систем связи; операторам и администраторам сетей – развертывать системы квантовых коммуникаций, мониторинга и управления каналами связи.

Технологии создания клиентских устройств квантовых коммуникаций сегодня разрабатываются во многих странах, в том числе и в России. Первые образцы, доступные для потребителей, уже появляются в продаже. Компании-лидеры – например, ID Quantique и QuantumCTek – уже предлагают на рынке портативные устройства управления, хранения и выдачи квантовых ключей. Об интересе к технологиям квантовых вычислений и коммуникаций уже объявляли такие технологические гиганты, как Google, IBM, Microsoft, Intel, Huawei, Alibaba, Nokia, Toshiba и др.

В ближайшие годы эксперты ожидают выхода на рынок множества инновационных решений, адресованных как коммерческим потребителям, так и массовому потребителю. Подробнее о коммерциализации квантовых коммуникаций можно прочитать здесь.

На сегодня в России наиболее высокий уровень развития достигнут в области разработки изделий и технологий передачи квантовых ключей по оптоволоконным каналам. Пилотные испытания решений проведены на полигонах ПАО «Ростелеком», ОАО «РЖД» и других компаний. На базе отечественного оборудования реализован ряд квантовых коммуникационных сетей, в том числе при активном участии ведущих университетов, включая МГУ им. М.В. Ломоносова, КНИТУ, Университет ИТМО, НИТУ МИСиС, МТУСИ .

По оценке компании «Иннопрактика» и ОАО «РЖД», перечень приоритетных технологий, определенный в дорожной карте развития высокотехнологичной области «Квантовые коммуникации», достаточен для создания необходимых флагманских продуктов и продуктовых линеек на горизонте 2024–2030 годов и охватит всю область применения квантовых коммуникаций, вплоть до интеграции с космическим сегментом.

Источник: Развитие отдельных высокотехнологичных направлений. Белая книга. Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», 2022.

Фото: Shutterstock/FOTODOM