Rețea cuantică

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă revizuită de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 22 decembrie 2015; verificările necesită 40 de modificări .

O rețea cuantică  este o rețea de comunicații care protejează datele transmise folosind legile fundamentale ale mecanicii cuantice. Este o implementare practică a așa-numitei criptografii cuantice . Rețelele cuantice formează un element important al sistemelor de calcul cuantic și de criptografie cuantică . Ele permit transportul de informații cuantice între sisteme cuantice separate fizic. În calculul cuantic distribuit, nodurile de rețea dintr-o rețea pot procesa informații acționând ca porți cuantice . Transmiterea securizată a datelor poate fi implementată folosind algoritmi de distribuție a cheilor cuantice .

În rețelele cuantice care utilizează fibra optică sau spațiul liber ca mediu de transmisie, transmiterea stărilor cuantice pure sub formă de fotoni pe distanțe lungi joacă un rol important .

Ideea rețelelor cuantice a fost discutată activteleportare cuantică de succes[ specificați ] .

Aplicație

Distribuția cheii cuantice

Multe rețele cuantice existente au fost dezvoltate pentru a sprijini distribuția cheilor cuantice (QKD) între mediile de calcul clasice. Această aplicație a rețelelor cuantice facilitează partajarea unei chei secrete de criptare între două părți. Spre deosebire de algoritmii clasici de distribuție a cheilor, cum ar fi algoritmul de schimb de chei Diffie-Hellman , distribuția cuantică a cheilor oferă securitate prin proprietăți fizice, mai degrabă decât prin dificultatea unei probleme matematice. Primul protocol de distribuție a cheilor cuantice, BB84 , a fost propus de Charles Bennett și Gilles Brassard în 1984 și a fost implementat în multe rețele cuantice de cercetare. În acest protocol, qubiții sunt trimiși dintr-o parte în alta printr-o rețea cuantică nesigură. Datorită proprietăților mecanicii cuantice și teoremei fără clonare , un interceptător nu poate determina cheia fără a fi descoperit de către emițător și receptor. În timp ce protocolul BB84 se bazează pe o suprapunere de stări de qubit pentru a detecta interceptarea cu urechea, alte protocoale folosesc qubiți încurcați . Acestea sunt protocoalele E91 propuse de Arthur Eckert și BBM92 propuse de Charles Bennet , Gilles Brassard și David Mermin

Transfer de stat cuantic

Într-un sistem de calcul cuantic mare, multe computere cuantice individuale pot interacționa și transmite date printr-o rețea. Cu o astfel de interacțiune, este benefic pentru rețea să sprijine transmiterea qubiților încurcați . Luați în considerare următorul scenariu: un computer cuantic, fiecare conține qubiți . Într-o rețea clasică, ar fi nevoie de un pic de date pentru a transmite starea completă a unui singur computer cuantic. Cu toate acestea, folosind o rețea cuantică, starea poate fi transmisă folosind qubiți . De asemenea, dacă este posibil să se realizeze încurcarea între toate calculatoarele dintr-o rețea, sistemul în ansamblu va avea spații de stare unificate, comparativ cu calculatoarele cuantice conectate clasic.

Metoda de lucru

Stratul fizic

Principalul mod în care rețelele cuantice interacționează pe distanțe lungi este prin utilizarea rețelelor optice și a qubiților fotonici . Rețelele optice au avantajul de a reutiliza fibra existentă . Iar rețelele libere pot fi implementate în așa fel încât să poată transmite informații cuantice „pe aer”, adică fără utilizarea mediilor de propagare structurate.

Rețele de fibră optică

Rețelele optice pot fi implementate folosind echipamente de telecomunicații și telecomunicații existente. Pe partea emițătorului, o sursă de fotoni unici poate fi creată prin atenuarea foarte mare a unui laser de telecomunicații standard, astfel încât numărul mediu de fotoni emiși pe impuls să fie mai mic de unul. Pentru a obține acest efect, se folosește o fotodiodă de avalanșă . Pot fi utilizate, de asemenea, diferite metode de reglare a fazei și a polarizării, cum ar fi divizoarele de fascicul și interferometrele . În cazul protocoalelor bazate pe încurcare, fotonii încâlciți sunt generați prin împrăștiere parametrică spontană . În ambele cazuri, fibra de telecomunicații poate fi multiplexată pentru a trimite semnale de control și sincronizare non-cuantică.

Rețele de spațiu liber

Rețelele cuantice de spațiu liber sunt similare cu rețelele de fibră optică, dar se bazează pe unghiul de vizualizare dintre părțile care comunică în loc să utilizeze o conexiune de fibră optică . Rețelele cu spațiu liber suportă de obicei rate de transmisie mai mari decât rețelele cu fibră optică și nu țin cont de schimbarea de polarizare cauzată de fibră .

Electrodinamica cuantică a unei cavități

Laserele de telecomunicații și împrăștierea parametrică spontană combinate cu fotodetectoarele pot fi utilizate pentru distribuția cheii cuantice. Cu toate acestea, pentru sistemele cuantice încurcate, este important să stocăm și să retransmitem informațiile cuantice fără a distruge stările subiacente. Electrodinamica cuantică a unei cavități este una dintre metodele posibile pentru rezolvarea acestei probleme. Aici, stările cuantice fotonice pot fi transferate atât la cât și dinspre stările cuantice atomice stocate în atomi individuali din cavitățile optice. În plus față de crearea unei încurcături de la distanță între atomi îndepărtați, aceasta permite transferul stărilor cuantice între atomi individuali folosind fibra optică .

Canale zgomotoase

Repetoare cuantice

Transmiterea datelor pe distanțe lungi este îngreunată de efectele pierderii semnalului și ale decoerenței inerente majorității mediilor de transport, cum ar fi fibra optică. Transmisia clasică de date folosește amplificatoare pentru a îmbunătăți semnalul în timpul transmisiei, cu toate acestea, în rețelele cuantice, conform teoremei fără clonare, amplificatoarele nu pot fi utilizate. O alternativă la amplificatoarele din rețelele cuantice este teleportarea cuantică , care transmite informații cuantice (qubiți) către un destinatar. Acest lucru evită problemele asociate cu trimiterea de fotoni unici pe o linie de transmisie lungă , cu pierderi mari . Cu toate acestea, teleportarea cuantică necesită o pereche de qubiți încurcați , câte unul la fiecare capăt al liniei de transmisie. Repetoarele cuantice fac posibilă crearea încurcăturii la nodurile de la distanță fără a trimite fizic un qubit încurcat pe întreaga distanță.

În acest caz, rețeaua cuantică constă din multe canale de comunicație scurte , lungi de zeci sau sute de kilometri. În cel mai simplu caz, cu un repetor, se creează două perechi de qubiți încurcați: una situată pe emițător și repetor, iar a doua pereche pe repetitor și respectiv receptor. Acești qubiți inițiali încurcați sunt ușor de creat, cum ar fi prin împrăștierea parametrică spontană , prin transferul fizic al unui qubit la un nod vecin. În acest caz, repetorul poate măsura starea Bell pe qubiți și , astfel, poate teleporta starea cuantică la . Acest lucru are ca efect „schimbarea” încâlcirii, astfel încât acestea sunt acum încurcate la o distanță de 2 ori mai puternică decât perechile inițiale de qubiți încurcate. Rețelele de astfel de repetoare pot fi utilizate atât în ​​mod liniar, cât și ierarhic pentru a crea încurcare pe distanțe lungi.

Erori remediate

Erorile de transmisie a datelor pot fi împărțite în două tipuri: erori de pierdere (datorită proprietăților fibrelor/media) și erori de funcționare (cum ar fi depolarizarea, defazarea etc.). În timp ce redundanța poate fi folosită pentru a detecta și corecta erorile într-o rețea clasică, crearea de qubiți redundanți este împiedicată de teorema fără clonare. Prin urmare, sunt introduse și alte tipuri de corectare a erorilor, precum codul Shor sau unul dintre algoritmii mai generali și eficienți. Principiul lor de funcționare este acela de a distribui informații cuantice prin qubiți încurcați, astfel încât atât erorile de performanță, cât și erorile de pierdere să poată fi corectate.

În plus față de corectarea erorilor cuantice, corectarea clasică a erorilor poate fi utilizată de rețelele cuantice în cazuri speciale, cum ar fi distribuția cheilor cuantice. În aceste cazuri, scopul transmisiei cuantice este de a transmite în mod fiabil un șir de biți clasici. De exemplu, un cod Hamming poate fi aplicat unui șir de biți înainte de codificarea și transmiterea datelor într-o rețea cuantică.

Rețele clasice care utilizează distribuția de chei cuantice pentru criptografia clasică

Două companii, idQuantique( Elveția ), MagiQTech( SUA ) oferă dispozitive disponibile comercial pentru distribuția cheilor cuantice și criptografia clasică [1] .

Oamenii de știință de la Centrul cuantic Kazan KNITU-KAI și Universitatea ITMO au lansat împreună un segment pilot al primei rețele cuantice cu mai multe noduri din Rusia (4 noduri, aproximativ o sută de kbps dintr-o secvență cuantică cernută, linii lungi de câțiva kilometri). [2]

În China, în noiembrie 2016, a fost finalizată crearea unei linii de comunicații cuantice[ termen necunoscut ][ clarifica ] 712 kilometri lungime Hefei-Shanghai cu 11 stații, construcția a durat 3 ani. Potrivit lui Chen Yu'ao , este planificat ca pe baza acesteia să fie creată o linie Beijing-Shanghai cu o lungime totală de aproximativ 2 mii km [3] [4] [5] .

„Internetul” cuantic

Se fac propuneri pentru crearea de rețele cuantice în care nodurile să stocheze stări cuantice și să le schimbe printr-o „rețea cuantică” pentru a crea sisteme cuantice încurcate distribuite geografic [6] .

Telefonie cuantică

În mai 2019, oamenii de știință ruși de la Centrul pentru Cercetare Științifică și Dezvoltare Avansată al companiei Infotex și Centrul pentru Tehnologii Cuantice al Universității de Stat din Moscova, numit după M.V. Lomonosov , au efectuat cu succes teste publice ale primului telefon cuantic rus ViPNet QSS Phone, care face parte a complexului de telefonie securizată dezvoltat și implementat de aceștia ViPNet Quantum Security System (ViPNet QSS). Organizatorii au desfășurat prima sesiune de comunicare vocală, protejată prin distribuție de chei cuantice , între birourile Infotex și Centrul pentru Tehnologii Cuantice al Universității de Stat din Moscova [7] . Telefonul cuantic domestic ViPNet QSS Phone, la care s-a lucrat de mai bine de trei ani, nu este supus atacurilor cunoscute folosind computere cuantice. Succesul testării a fost confirmat de specialiștii de la Centrul de Competență al Inițiativei Naționale Tehnologice (NTI) „Center for Quantum Technologies”. Instalațiile de telefonie cuantică (complexele ViPNet Quantum Security System (ViPNet QSS) și telefoanele cuantice ViPNet QSS Phone pentru acestea) vor începe să ajungă la vânzare în 2020 [8] .

Vezi și

Note

  1. ↑ Antonello Cutolo, Photonics for Safety and Security , 2013, ISBN 9789814412971 . Page 264 „ff Sistemele de distribuție a cheilor Quantum bazate pe DV sunt la vânzare la MagiQ Tech. (SUA) și id-Quantique (Elveția)"
  2. ↑ Universitatea ITMO. Universitățile ITMO și KAI lansează prima rețea cuantică cu mai multe noduri din țară . Portalul oficial al Universității ITMO. Preluat la 22 august 2016. Arhivat din original la 18 august 2016.
  3. ↑ BEIJING, 25 noiembrie - RIA Novosti, Ivan Bulatov. Mass-media a raportat că China va construi o nouă linie de comunicare cuantică . https://ria.ru+ (25 noiembrie 2016). Data accesului: 26 noiembrie 2016. Arhivat din original pe 25 noiembrie 2016.
  4. ↑ China lansează cea mai lungă linie de comunicare cuantică din lume - International - The Hindu . Consultat la 26 noiembrie 2016. Arhivat din original pe 27 noiembrie 2016.
  5. ↑ Linkul ultra-securizat merge pe linie | Shanghai Daily . Consultat la 26 noiembrie 2016. Arhivat din original pe 27 noiembrie 2016.
  6. ↑ The Quantum Internet: HJ Kimble, The Quantum Internet. Natura, Vol. 453. (2008) p.1023-1030. Arhivat pe 18 august 2016 la Wayback Machine
  7. ↑ Versiunea comercială a primului telefon cuantic rusesc a fost testată cu succes la Moscova . TASS. Preluat la 28 mai 2019. Arhivat din original la 28 mai 2019.
  8. ↑ Expert IT: CCT și InfoTeKS au demonstrat funcționarea primului telefon cuantic din Rusia . www.it-world.ru Preluat la 28 mai 2019. Arhivat din original la 28 mai 2019.

Literatură

Link -uri