Просмотр кода страницы Квантовая сеть

{{About|Реализации и принципах работы квантовой сети|математических принципах|Квантовый канал}}
{{орисс|дата=6 сентября 2016}}<!-- всё намешали в кучу, и [[BB84]] -->

'''Квантовая сеть''' — [[коммуникационная сеть]], защищающая [[Данные (вычислительная техника)|передаваемые данные]] с использованием фундаментальных законов [[Квантовая механика|квантовой механики]]. Является практической реализацией так называемой [[квантовая криптография|квантовой криптографии]]. Квантовые сети формируют важный элемент [[Квантовый компьютер|квантовых вычислений]] и [[Квантовая криптография|квантовых систем криптографии]]. Они допускают транспортировку [[Квантовая информация|квантовой информации]] между физически разделёнными квантовыми системами. В распределённых квантовых вычислениях [[Узел сети|сетевые узлы]] в сети могут [[Обработка информации|обрабатывать информацию]], выполняя функцию [[Квантовый вентиль|квантовых вентилей]]. Безопасная [[передача данных]] может быть реализована с помощью [[Алгоритм|алгоритмов]] [[Квантовое распределение ключей|квантового распределения ключей]].

В квантовых сетях, использующих в качестве [[Среда передачи|среды передачи]] [[оптоволокно]] или свободное пространство, важную роль играет передача чистых [[Квантовое состояние|квантовых состояний]] в виде [[фотон]]ов на большие расстояния. РАБОТА КК

Идея квантовых сетей активно стала обсуждаться{{нет АИ|6|09|2016}} после успешных экспериментов по [[Квантовая телепортация|квантовой телепортации]]<ref>{{Статья|ссылка=https://www.elibrary.ru/item.asp?id=17786156|автор=Астапенко В.А. Головинский П.А.|заглавие=Нейронные сети с квантовой интерференцией|год=2012|издание=Нейрокомпьютеры: разработка, применение|тип=Журнал|номер=4|страницы=3-12}}</ref>{{уточнить}}<!-- это тоже кв. криптогр.??-->.

== Применение ==

=== Квантовое распределение ключей ===
{{Main|Квантовое распределение ключей}}
[[Файл:BB84-сеть.png|300px|thumbnail|Диаграмма протокола BB84: поляризованный фотон передаётся от Алисы по незащищённому квантовому каналу и перехватывается Бобом, в то время как Ева пытается подслушать канал передачи данных.]]
Множество существующих квантовых сетей разработаны для поддержки квантового распределения ключей (QKD) между классическими [[Вычислительная среда|вычислительными средами]]. Такое применение квантовых сетей упрощает [[Совместное использование файлов|совместное использование]] [[Ключ (криптография)|секретного ключа]] шифрования между двумя сторонами. В отличие от [[Протокол распределения ключей|классических алгоритмов распределения ключей]], таких, как [[Протокол Диффи — Хеллмана|алгоритм обмена ключами Диффи-Хеллмана]], квантовое распределение ключей обеспечивает безопасность через физические свойства, а не трудность математической задачи.
Первый протокол квантового распределения ключей, [[BB84]], был предложен [[Беннет, Чарльз|Чарльзом Беннетом]] и [[Брассар, Жиль|Жилем Брассаром]] в 1984 году и был реализован во многих исследовательских квантовых сетях. В этом протоколе [[кубит]]ы отправлены от одной стороны к другой через небезопасную квантовую сеть. Из-за свойств [[Квантовая механика|квантовой механики]] и [[Теорема о запрете клонирования|теоремы о запрете клонирования]], подслушивающий не может определить ключ, не будучи обнаруженным отправителем и получателем.
В то время как протокол [[BB84]] полагается на суперпозицию состояний [[кубит]]а, чтобы обнаружить подслушивание, другие протоколы используют [[Квантовая запутанность|запутанные]] [[кубит]]ы. Это [[:en:Quantum_key_distribution#E91_protocol:_Artur_Ekert_(1991)|протоколы E91]], предложенный [[Экерт, Артур|Артуром Экертом]] и [[BBM92]], предложенный [[Беннет, Чарльз|Чарльзом Беннетом]], [[Брассар, Жиль|Жилем Брассаром]] и [[Мермин, Дэвид|Дэвидом Мермином]]. Одной из проблем криптографии всегда была проблема распределения ключей, которая в настоящий момент успешно решается с помощью [[Криптосистема с открытым ключом|ассиметричных алгоритмов шифрования]] с закрытым ключом, не покидающим своего владельца.  

=== Передача квантового состояния ===
В большой системе квантовых вычислений, множество отдельных [[Квантовый компьютер|квантовых компьютеров]] могут взаимодействовать и передавать данные через сеть. При таком взаимодействии, для сети выгодно поддерживать передачу запутанных [[кубит]]ов. Рассмотрим следующий сценарий: <math>k</math> квантовых компьютера, каждый из них содержит <math>n</math> [[кубит]]ов. В классической сети для передачи полного состояния одного [[Квантовый компьютер|квантового компьютера]] потребуется <math>2^n</math> бит данных. Однако, используя квантовую сеть, состояние можно передать с помощью <math>n</math> [[кубит]]ов. Аналогично, если возможно достичь запутанности между всеми компьютерами в сети, у системы в целом будет <math>2^{kn}</math> объединённых пространств состояний, против <math>k2^n</math> для классически подключённых [[Квантовый компьютер|квантовых компьютеров]].

== Метод работы ==

=== Физический уровень ===
Основной способ взаимодействия квантовых сетей на больших расстояниях — это использование оптических сетей и фотонных [[кубит]]ов. Оптические сети имеют преимущество повторного использования существующего [[оптоволокно|оптоволокна]]. А свободные сети могут быть реализованы так, что смогут передавать квантовую информацию «по воздуху», то есть без использования структурированных сред распространения.

==== Оптоволоконные сети ====
[[Волоконно-оптическая связь|Оптические сети]] могут быть реализованы, используя существующие [[телекоммуникации]] и [[Сетевое оборудование|телекоммуникационное оборудование]]. Со стороны отправителя, источник одиночных [[Фотон|фотонов]] можно создать, сильно ослабив стандартный [[Волоконный лазер|телекоммуникационный лазер]], так что среднее число испускаемых [[Фотон|фотонов]] за импульс будет меньше единицы. Чтобы получить данный эффект, используется [[лавинный фотодиод]]. Также могут использоваться различные методы регулировки фазы цифрового синтеза<ref>{{Статья|ссылка=https://elibrary.ru/item.asp?id=22930289|автор=ЧЕРВИНСКИЙ Е.Н.|заглавие=РЕГУЛИРОВКА ФАЗЫ ПРИ ЦИФРОВОМ СИНТЕЗЕ ЧАСТОТ|год=2007|издание=ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ РОССИИ. РАДИОЭЛЕКТРОНИКА|номер=2|страницы=30-36}}</ref> и поляризации, такие как разделители луча и [[интерферометр]]ы. В случае протоколов, основанных на запутывании, запутанные фотоны генерируются через [[спонтанное параметрическое рассеяние]]. В обоих случаях телекоммуникационное волокно может быть мультиплексным для отправления не квантовой синхронизации и управляющих сигналов.

==== Сети свободного пространства ====
Квантовые сети свободного пространства подобно оптоволоконным сетям, но полагаются на угол обзора между связывающимися сторонами вместо использования [[Волоконно-оптическая связь|оптоволоконного соединения]]. Сети свободного пространства обычно поддерживают более высокую [[Скорость передачи данных|скорость передачи]], чем [[Волоконно-оптическая связь|оптоволоконные сети]] и не учитывают поляризационную перестановку вызванную [[оптоволокно]]м.

==== [[Квантовая электродинамика]] полости ====
Телекоммуникационные лазеры и [[спонтанное параметрическое рассеяние]], объединённые с [[фотодетектор]]ами могут использоваться для квантового распределения ключей. Однако для запутанных квантовых систем важно сохранять и [[Ретрансляция (компьютерные сети)|ретранслировать]] квантовую информацию, не разрушая базовые состояния. [[Квантовая электродинамика]] полости — один из возможных методов решения данной задачи. Здесь фотонные квантовые состояния могут быть переданы как в атомарные квантовые состояния имеющие квантовый выход<ref>{{Статья|ссылка=https://elibrary.ru/item.asp?id=22856898|автор=РОГОЗИНА М.В. ИВАНОВ А.И.|заглавие=КВАНТОВЫЙ ВЫХОД СОСТОЯНИЯ С РАЗДЕЛЕННЫМИ ЗАРЯДАМИ В ПРОИЗВОДНЫХ ЦИНК-ПОРФИРИНА, ВОЗБУЖДЕННЫХ В СОСТОЯНИЕ S2.|год=2014|издание=ВЕСТНИК ВОЛГОГРАДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ 1: МАТЕМАТИКА. ФИЗИКА|номер=6(25)|страницы=40-52}}</ref> с разделёнными зарядами, хранящиеся в отдельных атомах в оптических полостях, так и из них. В дополнение к созданию удалённой запутанности между удалёнными атомами, это позволяет осуществлять передачу квантовых состояний между отдельными атомами, используя [[оптоволокно]].

=== Каналы с помехами ===

==== Квантовые повторители ====
[[Файл:Quantum teleportation diagram.png |300px|thumb|right|Диаграмма квантовой телепортации]]
Передаче данных на дальние расстояния препятствуют эффекты потери сигнала и [[декогерентность]], присущая большинству транспортных сред, таких как оптоволокно. При классической передаче данных используются усилители, чтобы улучшить сигнал во время передачи, однако в квантовых сетях, согласно теореме о запрете клонирования, усилители использовать нельзя.
Альтернативой усилителям в квантовых сетях является [[квантовая телепортация]], передающая квантовую информацию (кубиты) получателю. Это позволяет избежать проблем, связанных с отправкой одиночных фотонов по длинной [[Линия передачи|линии передачи]] с высокими потерями. Однако для осуществления квантовой телепортации необходима пара запутанных [[кубит]]ов, по одному на каждом конце линии передачи. Квантовые повторители позволяют создать запутанность в удалённых узлах без физической отправки запутанного кубита на всё расстояние.

В этом случае квантовая сеть состоит из множества коротких [[Канал связи|каналов связи]], длинной десятки или сотни километров. В простейшем случае, с одним повторителем, создаётся две пары запутанных кубитов: <math>|A\rangle</math> и <math>|R_a\rangle</math> расположенные на отправителе и повторителе, а вторая пара <math>|R_b\rangle</math> и <math>|B\rangle</math> на повторителе и получателе соответственно. Эти начальные запутанные кубиты легко создать, например, с помощью [[Спонтанное параметрическое рассеяние|спонтанного параметрического рассеяния]], физически передавая один кубит на соседний узел. При этом повторитель может выполнить [[:en:Bell_state#Bell_state_measurement|измерение состояния Белла]] на кубитах <math>|R_a\rangle</math> и <math>|R_b\rangle</math> телепортировав таким образом квантовое состояние <math>|R_a\rangle</math> в <math>|B\rangle</math>. Это имеет эффект «свопинга» запутанности, таким образом, что <math>|A\rangle</math> и <math>|B\rangle</math> теперь запутанны на расстоянии в 2 раза сильнее, чем начальные запутанные пары кубитов. Сети таких повторителей могут использоваться как линейно, так и иерархическим образом, для создания запутанности на большие расстояния.

==== Исправление ошибок ====
Ошибки при передаче данных можно разделить на два типа: ошибки потерь (из-за свойств оптоволокна/среды) и ошибки работы (такие как [[деполяризация]], [[дефазировка]] и т. д.). В то время как избыточность можно использовать, чтобы обнаружить и исправить ошибки в классической сети, созданию избыточных кубитов препятствует теорема о запрете клонирования. Поэтому введены другие типы исправления ошибок, как [[:en:Quantum_error_correction#The_Shor_code|код Шора]] или один из более общих и эффективных алгоритмов. Принцип их работы в распределении квантовой информации через многократно запутанные кубиты так, что и ошибки работы, и ошибки потерь могут быть исправлены.

В дополнение к квантовому исправлению ошибок, классическое исправление ошибок может использоваться квантовыми сетями в особых случаях, таких как квантовое распределение ключа. В этих случаях цель квантовой передачи состоит в том, чтобы надёжно передать строку классических битов. Например, [[код Хемминга]] может быть применён к строке битов до кодирования и [[Передача данных|передачи данных]] в квантовой сети.

== Классические сети с использованием квантового распределения ключей для классической криптографии ==
Две компании, «{{нп3|idQuantique||en|ID Quantique}}» ([[Швейцария]]), «{{нп3|MagiQTech||en|MagiQ Technologies, Inc.}}» ([[Соединённые Штаты Америки|США]]) предлагают коммерчески доступные устройства [[Квантовое распределение ключей|квантового распределения ключей]] и классической криптографии<ref>Antonello Cutolo, [https://books.google.ru/books?id=x3-6CgAAQBAJ&pg=PA264& Photonics for Safety and Security], 2013, ISBN 9789814412971. Page 264 «ff Quantum ''key distribution systems'' based on DV are on sale at MagiQ Tech. (USA) and id-Quantique (Switzerland)»</ref><!-- , на базе которых могут исследоваться и разрабатываться квантовые сети коммуникации-->.

Учёные из [[Казанский национальный исследовательский технический университет|Казанского квантового центра КНИТУ-КАИ]] и [[Университет ИТМО|Университета ИТМО]] совместно произвели запуск пилотного сегмента первой в России многоузловой квантовой сети (4 узла, порядка ста кбит/c просеянной квантовой последовательности, линии протяжённостью в единицы км).<ref>{{cite web|url=http://www.ifmo.ru/ru/viewnews/5893/universitety_itmo_i_kai_zapuskayut_pervuyu_v_strane_mnogouzlovuyu_kvantovuyu_set.htm|title=Университеты ИТМО и КАИ запускают первую в стране многоузловую квантовую сеть|author=ITMO University|publisher=Университет ИТМО официальный портал|lang=ru|accessdate=2016-08-22|archive-date=2016-08-18|archive-url=https://web.archive.org/web/20160818191554/http://www.ifmo.ru/ru/viewnews/5893/universitety_itmo_i_kai_zapuskayut_pervuyu_v_strane_mnogouzlovuyu_kvantovuyu_set.htm|deadlink=no}}</ref>

В Китае в ноябре 2016 года было завершено создание квантовая коммуникационная линия{{термин}}{{уточнить}} длиной 712 километров Хэфэй-Шанхай с 11 станциями, строительство заняло 3 года. По сообщению [[:en:Chen Yu'ao|Chen Yu’ao]] планируется, что на её базе будет создана линия Пекин-Шанхай общей длиной порядка 2 тыс. км<ref name="china1">{{cite web|author=ПЕКИН, 25 ноя — РИА Новости, Иван Булатов|title=СМИ сообщили, что Китай построит новую квантовую коммуникационную линию|url=https://ria.ru/science/20161125/1482136631.html|date=2016-11-25|publisher=https://ria.ru|accessdate=2016-11-26|language=ru|archive-date=2016-11-25|archive-url=https://web.archive.org/web/20161125104425/https://ria.ru/science/20161125/1482136631.html|deadlink=no}}</ref><ref>{{Cite web |url=http://www.thehindu.com/news/international/china-launches-worlds-longest-quantum-communication-line/article9367306.ece |title=China launches world’s longest quantum communication line — International — The Hindu |access-date=2016-11-26 |archive-date=2016-11-27 |archive-url=https://web.archive.org/web/20161127031133/http://www.thehindu.com/news/international/china-launches-worlds-longest-quantum-communication-line/article9367306.ece |deadlink=no }}</ref><ref>{{Cite web |url=http://www.shanghaidaily.com/business/finance/Ultrasecure-link-goes-on-line/shdaily.shtml |title=Ultra-secure link goes on line {{!}} Shanghai Daily |access-date=2016-11-26 |archive-date=2016-11-27 |archive-url=https://web.archive.org/web/20161127084743/http://www.shanghaidaily.com/business/finance/Ultrasecure-link-goes-on-line/shdaily.shtml |deadlink=no }}</ref>.

== Квантовый «Интернет» ==
Высказываются предложения создания квантовых сетей, в которых узлы хранили бы квантовые состояния и обменивались ими через «квантовую сеть» с целью создания территориально распределённых квантово-запутанных систем<ref>Квантовый интернет: [http://arxiv.org/abs/0806.4195 H.J. Kimble, The Quantum Internet. Nature, Vol. 453. (2008) pp.1023-1030.] {{Wayback|url=http://arxiv.org/abs/0806.4195 |date=20160818164237 }}</ref>.

== Квантовая телефония ==
{{обновить раздел|дата=2022-06-19}}
В мае 2019 года российские учёные из [[ИнфоТеКС|Центра научных исследований и перспективных разработок компании «Инфотекс»]] и [[Центр квантовых технологий|Центра квантовых технологий]] [[Московский государственный университет|МГУ имени М. В. Ломоносова]] успешно провели публичные испытания первого российского [[Квантовый телефон|квантового телефона]] ViPNet QSS Phone, входящего в разработанный и реализованный ими же комплекс защищённой [[Телефония|телефонии]] ViPNet Quantum Security System (ViPNet QSS). Организаторы провели первый сеанс голосовой связи, защищённой с помощью [[Квантовое распределение ключей|квантового распределения ключей]], между офисами «[[ИнфоТеКС|Инфотекса]]» и Центра квантовых технологий МГУ<ref>{{Cite web|url=https://tass.ru/nauka/6479349|title=Коммерческую версию первого российского квантового телефона успешно испытали в Москве|publisher=ТАСС|accessdate=2019-05-28|archive-date=2019-05-28|archive-url=https://web.archive.org/web/20190528125627/https://tass.ru/nauka/6479349|deadlink=no}}</ref>. Отечественный [[квантовый телефон]] ViPNet QSS Phone, над которым трудились более трёх лет, не подвержен известным атакам с использованием квантовых компьютеров. Успешность тестирования подтвердили специалисты [[Национальная технологическая инициатива#Центры компетенций НТИ на базе ВУЗов и научных организаций|Центра компетенций Национальной технологической инициативы (НТИ)]] «Центр квантовых технологий». В продажу установки квантовой телефонии (комплексы ViPNet Quantum Security System (ViPNet QSS) и квантовые телефоны ViPNet QSS Phone к ним) начнут поступать в 2020 году<ref>{{Cite web|url=https://www.it-world.ru/tech/news/145662.html|title=IT Expert: ЦКТ и ИнфоТеКС продемонстрировали работу первого в России квантового телефона|publisher=www.it-world.ru|accessdate=2019-05-28|archive-date=2019-05-28|archive-url=https://web.archive.org/web/20190528124730/https://www.it-world.ru/tech/news/145662.html|deadlink=no}}</ref>.

== См. также ==
* [[Квантовая телепортация]]
* [[Квантовый компьютер]]
* [[Квантовые технологии]]

== Примечания ==
{{примечания}}

== Литература ==
* [http://www.padabum.com/data/Физика/Бауместер%20Д.,%20А.Экерт,%20А.Цайлингер%20-%20Физика%20квантовой%20информации.%20М.,%202002.%20-%20376с..pdf  Д. Бауместер, А. Экерт, А.Цайлингер Физика Квантовой Информации. М.: Постмаркет, 2002. — 376с.] {{Wayback|url=http://www.padabum.com/data/%D0%A4%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0/%D0%91%D0%B0%D1%83%D0%BC%D0%B5%D1%81%D1%82%D0%B5%D1%80%20%D0%94.%2C%20%D0%90.%D0%AD%D0%BA%D0%B5%D1%80%D1%82%2C%20%D0%90.%D0%A6%D0%B0%D0%B9%D0%BB%D0%B8%D0%BD%D0%B3%D0%B5%D1%80%20-%20%D0%A4%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0%20%D0%BA%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B9%20%D0%B8%D0%BD%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BC%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%B8.%20%D0%9C.%2C%202002.%20-%20376%D1%81..pdf |date=20220401082951 }} Глава 6. Квантовые сети и многочастичное перепутывание.
* Квантовый интернет: [http://arxiv.org/abs/0806.4195 H.J. Kimble, The Quantum Internet. Nature, Vol. 453. (2008) pp.1023-1030.] {{Wayback|url=http://arxiv.org/abs/0806.4195 |date=20160818164237 }}

== Ссылки ==
* [http://www.osp.ru/nets/2009/09/10280895/ Квантовые сети скрывают секреты] {{Wayback|url=http://www.osp.ru/nets/2009/09/10280895/ |date=20091023031802 }}, Network world № 09, 2009

{{Квантовая информатика}}

[[Категория:Квантовый компьютер]]
[[Категория:Квантовая криптография]]