На 15 август Китай изстреля първия в света квантов спътник "Мо Дзъ", сателит, който ще бъде част от квантов интернет. 

Какво представлява квантовият интернет? - комуникационна мрежа, която работи на основата на законите на квантовата механика, по-точно, ефекта на квантовото състояние вплитане. Квантовите мрежи реализират т. нар. квантова криптография - метод за защита на комуникацията.

Засега не се знае как точно работят механизмите на квантова криптография, но се опитваме да я приспособим за своите нужди. Отдавна са разработени прототипи на квантови криптографски системи във вид на мрежови структури, на базата на оптични технологии. Активни изследвания в областта на квантовата криптография, освен в Китай се водят от най-големите технологични компании, включително IBM, Mitsubishi, Toshiba и авторитетни научни и образователни центрове по света.

Квантово вплитане

Квантовата механика все още повдига много въпроси. Нейната област крие невероятни феномени. На първо място, това е квантовото вплитане  - явление, което се проявява в способността на частици, разположени на значително разстояние, да обменят информация за това какво се случва с всяка една от тях. Как става това - все още е неясно.

Относително скоро, през 1982 г., е описано явлението вплетени бифотони (единен квантов обект, представляващ двойка фотони) и е потвърдено експериментално. Досега ефектът на вплитане е регистриран на разстояние от около 200 км, а прехвърлянето на информация между обектите се извършва почти мигновено.

Въпреки че явлението е многократно потвърдено и проверено, същността и механизмът му са загадка. Ясно е, че не може да се използва за традиционния обмен на информация, тъй като ще се наруши принципа на относителността.

Но квантовият канал може да се задейства за революционно подобрение на криптографските системи, тъй като е невъзможно да се клонира квантовото състояние. В основата на квантовата криптография е физическия принцип, според който не може да се прочете два пъти състоянието на квант светлина (фотон). След първото четене състоянието на фотона се променя и повторен опит с голяма вероятност ще даде погрешен резултат.

Защо не може да се проникне в квантово криптирана връзка

Основният обект за обмен на информация в квантова криптография е квантовият бит или q-бит. Физически той представлява поляризиран фотон, предаван посредством оптични комуникационни връзки. В приемното устройство може да се измери поляризацията на q-бита, след което се абсорбира от фотонния брояч и престава да съществува.

През 1984 г. е представен първичния протокол на квантово разпределение на ключа BB84, кръстен на своите разработчици, Чарлз Бенет и Жил Брасард. Този протокол описва най-примитивния механизъм на квантовата криптография, осъществявайки разпределението на случайни битове между две точки.

Като илюстрация на принципа на действие BB84 се използват двамата "класически" герои - Алис и Боб. Те изпращат помежду си тайни данни по квантовия информационен канал посредством фотонни импулси. Всеки от импулсите по случаен начин е поляризиран в едно от четирите направления. Едновременно Алис и Боб обменят q-битове по втори, служебен квантов канал, съобщавайки един от друг условията за измерване на квантовите битове, но никой никого не информира за резултатите от измерванията. Хакерът, наречен Ева, ако прихване един q-бит, в съответствие с принципа на неопределеността на Хайзенберг променя състоянието му, за което незабавно става известно на Алис и Боб. Компроментираният q-бит се регистрира и изхвърля. Съответно, достъпът до данните, предавани по паралелния информационен канал става невъзможен за Ева.

Практиката е различна от теорията по това, че оборудването се прави от хора. И хората не винаги успяват да направят всичко идеално. Някои квантови хакери могат да проникнат, използвайки несъвършенството на оборудването, което се използва в системите за квантовата криптография. 

Квантовата криптография не е фантастика

Според някои хора, тези технологии са толкова далече от реалността, колкото фотонните двигатели и лазерните мечове. Но докато някои, като чуят думата "квантов" пускат скептични забележки, други правят пари. Компании като MagiQ и IdQuantique още в началото на 2000-те разработиха комерсиална система за квантова криптография, заеха своята пазарна ниша и излязоха от стадия на стартъпи. Първи клиенти на технологията на бъдещето станаха големи банки, правителствени и военни структури. Самата система , която се продава по 100 хиляди долара (например от компаниите QKD и idQuantique), представлява двойка кутии, свързвани с оптичен кабел. Този кабел се превръща в абсолютно защитен от подслушване комуникационния канал.

В началото на 2000 г. DARPA финансира проект за развитие на квантова мрежа. Мрежата започна да функционира в рамките на лабораторията BBN Technologies в края на 2003 г. а по-нататък през 2004 г. е разширена, включвайки възли в Университетите Харвард и Бостън. 

За съжаление изпълнените проекти в областта на квантовата криптография показват малък обхват на действие на тези системи и слаба пропусквателна способност. B оптичните мрежи максималният обхват на квантова криптография е около 100 км, производителността на канала - до 100 Kbit / сек. Това се дължи на естественото разсейване на сигнала в оптичните влакна. Да се запази поляризацията на сигнала в оптичното влакно по време на нейното предаване на дълги разстояния е много трудно. 

^{Сателитна снимка (NASA World Wind) на Канарските острови Тенерифе и Ла Палма и преглед на експерименталната схема.} 

В експериментите с квантова криптография се използват не само влакна, но атмосферно-оптични комуникационни линии. Проведените проучвания в Швейцарските Алпи са показали възможност за организиране на защитени квантови канали на разстояние от 23 км. Над Атлантическия океан между два острова е постигнато максимално работно разстояние на системата от 150 км. Въз основа на атмосферни оптични системи се разработват междуспътникови линии за квантова връзка и комуникационни линии "Земя - сателит".

Китайската мрежа

През 2014 г. китайските учени обявиха, че са започнали инсталирането на най-голямата мрежа от квантовата комуникация в света, която ще обедини 2000-километровото разстояние между Пекин и Шанхай. Проектът бе осъществен от съвместен консорциум от Toshiba, BT и ADVA заедно с британската Национална лаборатория по физика в Тедингтън. Инженерите са успели да постигнат впечатляващи резултати при тестовете на квантовата мрежа дори през съществуващата оптична инфраструктура.

Миналата седмица бе пуснат и първият квантов сателит на Китай "Mo Дзъ". Сателитът с тегло над половин тон в рамките на проекта "Квантови експерименти в космически мащаб" (QUESS) ще бъде разположен на слънце-синхронна орбита на височина от 600 километра. Апаратът ще обикаля Земята за 90 минути.

По време на двугодишната мисия на сателита "Mo Дзъ" китайските изследователи ще могат да тестват технологията на квантовото разпределение на ключовете (QKD) между сателита и две наземни станции, разположени на разстояние от 1200 км една от друга, както и да проведат сигурни комуникационни сесии между Пекин и Урумчи.

"Ако Китай изпрати в орбита повече такива спътници, можем да очакваме, че глобалната мрежа за квантова комуникация ще бъде създадена приблизително през 2030 г." - заяви Цзян-Уей Пан, главен изследовател на проекта.

Още по темата

16/08/2016

Космос

Китайците стартираха първия в света квантов сателит (видео)

13/08/2016

Физика

Надникнете в бъдещето, за да разберете миналото

27/05/2016

Физика

Експеримент: Две квантово вплетени котки на Шрьодингер

03/04/2016

Физика

Квантовата теория на полето