Интернет без взломов и утечек может показаться утопией, но ученые со всего мира работают над тем, чтобы сделать его реальностью. Что такое квантовые сети, как скоро они опутают всю планету, и чем опасны "квантовые террористы", разбирался Фокус

Интернет в его нынешнем виде сложно назвать безопасным. Не проходит и недели без сообщения об очередной масштабной утечке данных, когда в руки злоумышленников попадают секреты пациентов больниц, клиентов банков и пользователей сайтов знакомств. Ученые из разных стран ищут способы перестроить всемирную паутину на принципиально новых позициях – законах квантовой физики, что, как ожидается, сделает хакерские взломы практически невозможными. Вот только получится ли у них сделать Сеть безопасной зоной?

Только без фокусов

Трюк с "телепортацией" был визитной карточкой Дэвида Копперфильда на протяжении 15 лет, пока во время его исполнения пожилой доброволец не получил травму головы. После иска в суд знаменитому иллюзионисту пришлось раскрыть секрет номера: "телепортированных" людей попросту проводили со сцены в зрительный зал по тайному коридору. Там один из них споткнулся о строительный мусор и упал.

В 2017 году китайским ученым удалось провести менее зрелищный, зато вполне реальный сеанс телепортации аж на 1400 километров – из Тибета прямиком на орбиту Земли, на спутник Мо-цзы. Конечно, туда отправили не людей, а пакет информации. Точнее, информации о квантовом состоянии фотонов. Но обо всем по порядку.

В эксперименте использовалось одно из явлений квантовой механики: запутывание или "жуткое дальнодействие", как его прозвал Альберт Эйнштейн. В чем оно состоит? Когда две частицы запутаны, они остаются взаимосвязанными: любое действие, которое вы проведете над одной частицей, автоматически изменит и вторую. Аналогично, если вы измерите состояние одной частицы этого дуэта, то узнаете состояние и второй: например, если один фотон (частица света) окажется поляризованным горизонтально, второй будет поляризован вертикально. При этом расстояние между запутанными частицами не имеет значения.

Вооружившись этим знанием, исследователи из Университета науки и технологий Китая направили на спутник лазерный луч. Специальный кристалл, выступавший источником фотонов, генерировал свыше 4 тысяч пар запутанных частиц в секунду. Один фотон из каждой пары лазер передавал на спутник, а тот, что оставался на Земле, запутывали с третьим. Измерив состояния "земных" частиц, ученые смогли узнать состояние их "напарниц" в космосе.

"Это большой шаг к квантовым коммуникациям глобального масштаба", – отметил тогда достижение китайских ученых Говард Уайзман, директор Центра квантовой динамики при Университете Гриффита в Брисбене, Австралия. Однако на этом исследователи из Поднебесной не остановились. Позднее они провели еще более сложный эксперимент.

Совместно с коллегами из Австрии они осуществили первый сеанс трансконтинентальной спутниковой квантовой связи, использовав квантовое распределение ключей (QKD). Так называют технологию, когда зашифрованные данные передаются в виде классических битов (фотонов), а ключи-дешифровщики – в виде квантовых битов или кубитов (запутанных фотонов).

Первый секретный ключ генерировался между Мо-цзы и обсерваторией неподалеку от Вены, второй – между спутником и китайской станцией Синлун возле Пекина. Они использовались для шифрования сеанса видеосвязи между Бай Чуньли и Антоном Цайлингером – президентами академий наук Китая и Австрии. Кроме того, в рамках эксперимента был произведен обмен фотографиями. Китайцы передали в Австрию портрет древнего философа Мо-цзы, в честь которого и был назван спутник, а австрийцы отправили коллегам портрет Эрвина Шредингера. Обмен был осуществлен на расстоянии в 7400 км – это рекордное значение для квантовой связи.

С одной стороны звучит впечатляюще, но все же напрашивается резонный вопрос: а чем эта технология лучше обычного Интернета? Ведь картинками можно обмениваться и так. Действительно можно, но здесь на сцену выходит самое интересное свойство "запутанного" Интернета, которое делает его столь перспективным с точки зрения кибербезопасности.

Дело в том, что даже просто измерение квантового состояния частиц меняет его. То есть, если бы в ходе экспериментов китайских ученых некий продвинутый хакер попытался бы перехватить информацию, это тут же было бы замечено. Из-за этого и возникло мнение, что квантовый Интернет сможет раз и навсегда решить проблемы безопасности, хотя с этим согласны не все.

Квантовый террор

Например, физики из Университета Джорджа Вашингтона видят довольно мрачные перспективы. Они создали математическую модель квантового Интернета – облака запутанных фотонов, в которое пользователи могут свободно вводить собственную информацию. Проблема в том, что вся эта система будет иметь собственное квантовое состояние. Да притом весьма хрупкое.

Исследователи выяснили, что, целенаправленный вброс случайных данных, которые запутаются со всеми остальными, приведет к нарушению работы системы, и восстановление исходной информации из получившейся "смеси" станет невозможным. Причем сделать это сможет буквально несколько злоумышленников, действующих синхронно, и идентифицировать "квантовых террористов" в создавшейся путанице будет практически невозможно.

По словам ведущего автора исследования Нила Джонсона, лучший способ предотвратить такой сценарий – вообще не доводить технологию до всемирного масштаба. Вместо этого физик предлагает ограничиться набором квантовых систем, интегрированных в классические сети, что позволит локализировать возможные атаки.

Его коллега из Университета Вашингтона Кай-Мей Фу также считает, что в новой версии глобальной Сети просто нет смысла: ведь фотографии котиков вполне можно пересылать в виде старых добрых битов, а квантовым шифрованием защищать только особо ценные сведения.

Запутанные перспективы

Как бы там ни было, а сторонники квантового Интернета от своих трудов отказываться не собираются. Лидер команды исследователей, проводившей упомянутые эксперименты со спутником, Цзянь-Вэй Пан обещает, что уже в 2030 году квантовый интернет может стать реальностью. По крайней мере, для "нескольких стран".

Однако его коллеги относятся к этому прогнозу скептически и вообще не решаются что-либо говорить о возможных сроках. "Квантовый интернет – это слишком расплывчатый термин. Людям, в том числе и мне, нравится его использовать. Тем не менее, нет даже однозначного определения того, что это значит", – говорит физик Томас Дженневейн из Университета Ватерлоо.

Китай, очевидно, делает ставки на спутниковую связь. Но один Мо-цзы стоит 100 миллионов долларов. В ближайшие годы китайцы собираются запустить еще три небольших спутника, но для построения Интернета даже в пределах страны, их, конечно, не хватит. Кроме того, эффективность их работы не так велика, как хотелось бы: в ходе испытаний в 2017-м году из миллионов отправленных наземной станцией фотонов Мо-цзы смог получить только 911.

Другой вариант – сеть наземных оптоволоконных кабелей. Но когда по ним отправляются фотоны, квантовое состояние быстро разрушается из-за тепла, вибрации и других помех. Даже в "традиционном" Интернете оптоволоконные линии оснащены специальными повторителями, которые постоянно обновляют сигнал через определенные промежутки пути.

Есть оптоволоконный квантовый канал и в Китае, он соединяет Пекин и Шанхай, а недавно его присоединили к наземной станции Синлун. По этой линии банки и другие финансовые компании передают конфиденциальные данные. Чтобы избежать "угасания" сигнала, его снабдили так называемыми доверенными промежуточными узлами, в которых квантовые ключи дешифруются в биты, а затем повторно шифруются в новом квантовом состоянии для их путешествия к следующему узлу. В какой-то мере это нивелирует всю идею с защищенностью, ведь хакеры могут похитить незашифрованные данные прямо из этих узлов.

Однако в начале 2019 года прогресс наметился и в наземной квантовой связи. На сей раз заслуга принадлежит не китайским ученым, а их коллегам из японской корпорации NTT, Университета Тоямы и Университета Торонто.

Они разработали прототип повторителя для квантовой связи, основанный на оптических устройствах. В отличие от прежних вариантов таких инструментов, которые были слишком дорогими и могли работать только при криогенных температурах, японско-канадская разработка может функционировать при комнатной температуре. Кроме того, она работает на скорости света и потребляет мало энергии.

"Полностью оптическая сеть – это перспективная форма инфраструктуры для быстрой и энергоэффективной связи, которая необходима для будущего квантового интернета. Наша работа помогает проложить путь к этому будущему", – говорит профессор Университета Тоямы Хой-Квонг Ло.

Если тестирование прототипа будет успешным, квантовые коммуникации действительно могут получить распространение через несколько десятилетий. Но если новая Сеть окутает всю планету, то ученым придется искать ответы и на новые вызовы кибербезопасности.

Источник: focus.ua