Что такое квантовая связь и как её можно использовать
Даже самые надёжные способы традиционной связи не могут гарантировать полную безопасность данных. Любой сигнал теоретически можно перехватить или подменить. Ситуацию спасают алгоритмы шифрования, но даже они могут оказаться бесполезными с появлением мощных квантовых компьютеров. По-настоящему безопасной альтернативой традиционным коммуникациям может стать квантовая связь. Разберёмся, как она работает, почему считается самым безопасным способом передачи информации и можно ли её использовать для мгновенного общения на любом расстоянии.
Как работает квантовая связь
В отличие от классической связи, использующей биты (0 или 1), квантовая связь оперирует кубитами (квантовыми битами). Благодаря принципу суперпозиции кубит может одновременно находиться в состояниях 0 и 1 с разной вероятностью. Это позволяет кубитам хранить и обрабатывать значительно больше информации по сравнению с классическими битами.
Схема квантового распределения ключей
Ещё один важный элемент такого типа связи — квантовая запутанность. Это явление, при котором две или более частицы связываются и имеют одинаковое квантовое состояние независимо от расстояния между ними. Измерение свойства одной частицы мгновенно влияет на соответствующее свойство другой. Хотя это не позволяет передавать информацию быстрее скорости света, запутанность критически важна для переноса квантового состояния, которое называется квантовой телепортацией, и, соответственно, для защищенной связи.
Почему квантовые компьютеры могут сделать бесполезными пароли и шифрование
Самая известная реализация принципов квантовой связи — квантовое распределение ключей (QKD). QKD использует принципы квантовой механики, такие как теорема о запрете клонирования: она говорит о том, что невозможно скопировать неизвестное квантовое состояние. Также в ней используется тот факт, что попытка измерить состояние квантовой системы неизбежно меняет её структуру. Поэтому любая попытка перехватить ключ внесёт ошибки в передаваемый сигнал и об этом узнают все участники коммуникации. Это обеспечивает защиту от атак вида «сохрани сейчас, расшифруй потом», когда зашифрованные данные перехватываются для расшифровки в будущем, с появлением более мощных средств взлома защиты. Популярные протоколы, как BB84, используют эти свойства для создания секретного ключа.
Сравнительная таблица традиционной и квантовой типов связи.
Можно ли при помощи квантовой связи отправить сообщение мгновенно на любое расстояние
Хотя квантовая запутанность создаёт мгновенную корреляцию между частицами на любом расстоянии, это явление нельзя использовать для передачи осмысленной информации быстрее скорости света.
Это ограничение известно как теорема о запрете сверхсветовой коммуникации. Чтобы передать информацию с помощью запутанных частиц, всё равно требуется классический канал связи, например радиоволны или оптоволокно, который работает со скоростью света или медленнее.
Если допустить, что квантовая связь позволит мгновенно передавать сообщения в любую точку Вселенной, это приведёт к возникновению временного парадокса. Для примера можно взять космический корабль, летящий от Земли со скоростью света (0,99). Если бы существовал способ передачи информации быстрее скорости света, то корабль мог бы отправить сообщение на Землю, и Земля, получив его, мгновенно отправила бы ответ.
Однако из-за эффектов замедления времени и относительности одновременности, которые описаны в специальной теории относительности, для наблюдателя на корабле при такой скорости время течёт в семь раз медленнее, чем на Земле. При достаточно высокой скорости корабля и наличии мгновенной связи может возникнуть ситуация, когда, с точки зрения экипажа корабля, ответ с Земли придёт на корабль раньше, чем было отправлено исходное сообщение. Это нарушает принцип причинности, согласно которому следствие не может предшествовать причине. В результате могут возникнуть логические парадоксы — например, возможность отправить сообщение в прошлое самому себе. Поэтому современная физика считает сверхсветовую передачу информации невозможной.
Преимущества квантовой связи
Самое главное, что даёт квантовая связь, — это безопасность передаваемой информации. QKD обеспечивает теоретически невзламываемую защиту от прослушивания, основанную на законах физики. Любая попытка перехвата нарушает квантовое состояние и обнаруживается.
Потенциально возможна и повышенная скорость передачи данных. Кубиты могут нести больше информации, а эксперименты QKD показывают высокие скорости генерации ключей (миллионы бит в секунду). Эти ключи затем можно использовать с классическими алгоритмами шифрования для быстрой и безопасной передачи данных.
Принципы квантовой связи также могут помочь в создании квантовых сенсоров для сверхточных физических измерений. Кроме того, передача кубитов при помощи запутанности может позволить соединить несколько квантовых компьютеров и повысить таким образом общую вычислительную мощность установки.
Ограничения и проблемы
Несмотря на потенциал этой технологии, на пути её развития есть и серьёзные проблемы:
Декогеренция. Кубиты могут терять квантовые свойства из-за явления декогеренции. Оно происходит, когда частицы взаимодействуют с окружающей средой. В итоге это ограничивает дальность передачи информации. Для борьбы с декогеренцией исследователи разрабатывают квантовые повторители и квантовую память.
Дальность передачи информации. Несмотря на то что на сегодня сигнал при помощи квантовой связи удалось передать на расстояние почти в 13 тысяч километров (между наземными станциями в Китае и Южной Африке с помощью квантового спутника «Цзинань-1»), при практическом применении дальность действия квантовой связи ограничена длиной оптоволокна, по которому «путешествуют» частицы.
Схема эксперимента по передаче данных между наземными станциями через спутник.
Экономика. На данный момент разработка систем квантовой связи и развёртывание инфраструктуры — очень дорогое удовольствие. Снизить цену можно при помощи интеграции с существующими оптоволоконными сетями.
Совместимость. Совмещение квантовой связи с существующей классической инфраструктурой — сложная инженерная задача. Дело в том, что при передаче квантовых и классических сигналов по одному волокну могут возникать перекрёстные помехи. Чтобы решить эту проблему, необходимы стандартизированные интерфейсы.
Какие возможности откроет переход на квантовую связь
Массовое внедрение квантовой связи — дело будущего, но технология быстро развивается. По словам экспертов, первый этап интеграции начнётся в течение ближайших 5–10 лет. В первую очередь он коснется тех сфер, в которых нужна высокая безопасность передачи информации (правительство, финансы). Уже есть примеры использования в служебных смартфонах квантовых генераторов случайных чисел (QRNG), повышающих безопасность коммуникации.
Квантовая связь может трансформировать интернет и мобильную связь, создав новую парадигму безопасности. Технология также усилит безопасность мобильных сетей 5G и следующих поколений телефонии.
Но это далеко не всё. Вот несколько перспективных технологий, которые может породить квантовая связь:
- Безопасные системы квантового голосования.
- Квантово-защищённые финансовые транзакции.
- Безопасное хранение персональных данных.
- Защищённые каналы связи для критической инфраструктуры (энергетика, здравоохранение).
- Распределённые квантовые вычисления и сенсоры для научных исследований.
Самое важное практическое значение — кардинальное повышение безопасности и конфиденциальности коммуникаций. Постоянное увеличение изощрённости кибератак и прогресс в разработке мощных квантовых компьютеров создают угрозы для современных методов шифрования. Квантовая связь поможет решить проблемы с безопасностью передаваемого сигнала на фундаментальном уровне.
Какие проекты квантовой связи существуют в 2025 году
Квантовая связь развивается по всему миру, но активнее всего этот способ коммуникации развивают Китай и США.
Китай обладает крупнейшей в мире сетью квантовой связи. В неё входят магистральная сеть Пекин-Шанхай и космический спутник «Мо-цзы», установивший рекорды в передаче запутанных частиц и квантовом распределении ключей на большие расстояния. В планах государства — создание глобального сервиса квантовой связи.
Европейский Союз развивает общеконтинентальную инфраструктуру квантовой связи (EuroQCI). В проекте участвуют Европейское космическое агентство, Еврокомиссия и все 27 стран — членов ЕС. Объединение интегрирует квантовое распределение ключей в существующие оптоволоконные сети, чтобы защитить критически важную инфраструктуру и данные. Активно ведутся и национальные проекты, особенно в Великобритании, Германии и Нидерландах.
США инвестируют в квантовые коммуникации через Национальную квантовую инициативу (NQI) и другие программы. NASA и Министерство энергетики разрабатывают технологии для связи через свои сети наземных станций и спутников. В итоге ведомства планируют создать национальный квантовый интернет. Исследования в национальных лабораториях и университетах охватывают передачу на большие расстояния, распределение запутанности и разработку компонентов для квантовых сетей.
Помимо государств, инновации продвигает растущая экосистема компаний — от стартапов до технологических гигантов. ID Quantique и Toshiba предлагают коммерческие системы квантового распределения ключей (QKD). Стартапы, такие как Quantum Xchange и Arqit, строят сети и разрабатывают спутниковые QKD-технологии. О своих планах продемонстрировать передачу данных при помощи квантовой запутанности заявила даже корпорация Boeing.
Что в итоге
Квантовая связь обладает большим потенциалом — прежде всего в области безопасности передачи данных. На данный момент это единственная технология связи, защищающая от перехвата информации на уровне физических законов. Активные разработки и крупные проекты в Китае, Европе и США, а также усилия частных компаний демонстрируют серьёзность намерений по внедрению этой технологии.
Однако, несмотря на впечатляющие эксперименты и создание тестовых сетей, квантовая связь всё ещё сталкивается с серьёзными препятствиями: техническими сложностями вроде декогеренции и ограничений по дальности, высокой стоимостью и проблемами интеграции с существующей инфраструктурой.
Поэтому ожидать скорого распространения технологии не стоит. В первую очередь связь нового поколения будет использоваться в сферах, где безопасность критически важна: государственное управление, финансовый сектор, защита критической инфраструктуры. Квантовая связь пока остаётся технологией будущего, которая в перспективе изменит подход к коммуникации, но ещё не скоро заменит традиционные методы и не позволит отправлять сообщения мгновенно в любую точку Вселенной.