Kvantinis internetas ir pirmieji tarpžemyniniai eksperimentai

Kvantinis internetas jau nebe vien tik futuristų fantazija. Per pastaruosius kelerius metus laboratoriniai bandymai išsiplėtė iki realių tarpmiestinių ir net tarpžemyninių eksperimentų, kuriuose dalyvauja JAV, Europa, Kinija, Kanada ir kitos šalys. Ši naujos kartos ryšio infrastruktūra gali iš esmės pakeisti kibernetinį saugumą, duomenų centrų darbą ir net patį supratimą, kas yra „internetas“.

Kas yra kvantinis internetas paprastais žodžiais?

Kvantinis internetas – tai tinklas, kuriame perduodama ir apdorojama kvantinė informacija, užkoduota kvantinėje būsenoje esančiose dalelėse (dažniausiai fotonuose). Skirtingai nei įprastame internete, čia naudojami kvantiniai reiškiniai:

Superpozicija – kvantinė būsena gali būti keliose būsenose vienu metu.
Susipynimas – dvi dalelės elgiasi kaip viena sistema, net jei jas skiria tūkstančiai kilometrų.
Neapibrėžtumo principas – matavimo veiksmas pats keičia būseną.

Būtent šios savybės leidžia sukurti fundamentaliai naują saugaus ryšio modelį, kuriame bet koks pasiklausymas palieka pėdsaką ir gali būti aptiktas.

Kaip veikia kvantinis ryšys ir kuo jis skiriasi nuo įprasto?

Šiandieninis internetas remiasi klasikiniais bitais – 0 ir 1. Kvantiniame internete naudojami kubitai (kvantiniai bitai), kurie gali būti ir 0, ir 1 superpozicijoje. Tačiau svarbiausia ne didesnė „informacijos talpa“, o nauji saugumo principai.

Kvantinis raktų paskirstymas (QKD)

Šiandien dažniausiai praktiškai taikoma kvantinio interneto technologija – kvantinis raktų paskirstymas (angl. Quantum Key Distribution, QKD). Jo esmė:

Siuntėjas (dažnai vadinamas „Alisa“) siunčia fotonus su atsitiktinėmis kvantinėmis būsenomis.
Gavėjas („Bobas“) matuoja šiuos fotonus atsitiktinai parinktomis „bazėmis“.
Vėliau per įprastą kanalą jie palygina matavimo bazes ir atmeta netinkamus matavimus.
Iš likusių duomenų suformuojamas bendras slaptas raktas.

Jei trečiasis dalyvis („Evas“) bando pasiklausyti ir matuoja fotonus, jis neišvengiamai įneša klaidų į signalą, nes kvantinės būsenos negalima nukopijuoti nepažeidžiant (no-cloning teorema). Padidėjęs klaidų lygis išduoda ataką.

Kvantinis internetas ≠ greitesnis internetas

Kvantinis internetas nebūtinai reiškia didesnį greitį filmams ar žaidimams. Jo pagrindinė vertė – nepralaužiamas šifravimas ir galimybė jungti kvantinius kompiuterius į tinklus, dalijantis kubitais, o ne tik failais.

Pirmieji tarpžemyniniai kvantinio interneto bandymai

Iki maždaug 2020 m. dauguma kvantinio ryšio eksperimentų buvo riboti keliais dešimtimis ar šimtais kilometrų šviesolaidžiuose. Pastaraisiais metais įvyko keli proveržiai, leidę pereiti prie tarpžemyninių atstumų.

Kinijos palydovinis kvantinis ryšys

Vienas žinomiausių pavyzdžių – Kinijos palydovas „Micius“. Jis leidžia siųsti susipynusius fotonus tarp stotelių skirtinguose žemynuose:

Eksperimentai tarp Kinijos ir Europos parodė, kad galima išlaikyti kvantinį susipynimą tūkstančių kilometrų mastu.
Buvo pademonstruotas kvantinis raktų paskirstymas tarp žemynų, naudojant palydovą kaip tarpinę stotį.
Praktiškai tai reiškia, kad Pekinas ir Viena galėjo dalintis šifravimo raktais, kurių saugumas paremtas kvantine fizika, o ne matematinėmis prielaidomis.

Palydovinis QKD leidžia įveikti pagrindinę šviesolaidžių problemą – signalo slopinimą. Šviesa stikle nyksta, o kvantinio signalo negalima paprastai „pastiprinti“, nes stiprintuvas pažeistų kvantinę būseną.

Europos ir Šiaurės Amerikos iniciatyvos

Europa ir Šiaurės Amerika taip pat aktyviai vysto tarpžemyninius kvantinio ryšio projektus:

Europos kvantinio ryšio infrastruktūra EuroQCI kuria žemyninį kvantinį tinklą, kuris vėliau planuojamas jungti su kitais regionais, įskaitant tarpžemyninius palydovinius ryšius.
JAV Energetikos departamentas ir kelios nacionalinės laboratorijos kuria kvantinį „backbone“, siekdamos jį sujungti su Kanados ir Europos tinklais.
Vyksta tyrimai, kaip panaudoti esamus transatlantinius šviesolaidžius kvantiniam raktų paskirstymui, derinant juos su kvantiniais kartotuvais ir palydovais.

Nors pilnai funkcionuojančio tarpžemyninio kvantinio interneto dar neturime, pirmieji praktiniai bandymai jau vyksta, o komerciniai pilotiniai projektai pradeda atsirasti finansų ir valstybinio saugumo sektoriuose.

Pagrindiniai technologiniai iššūkiai

Kvantinis internetas susiduria su rimtais inžineriniais ir fizikiniais apribojimais. Norint iš laboratorinių demonstracijų pereiti prie pasaulinės infrastruktūros, reikia išspręsti kelias kritines problemas.

Kvantiniai kartotuvai

Įprastame internete signalas kas keliasdešimt kilometrų stiprinamas kartotuvais. Kvantiniame internete paprastas stiprinimas neveikia, nes kvantinės būsenos negalima nukopijuoti. Tam reikalingi kvantiniai kartotuvai, kurie:

laikinai saugo kvantines būsenas kvantiniuose atmintukuose;
atlieka kvantinį teleportavimą tarp mazgų;
leidžia „peršokti“ didelius atstumus išlaikant susipynimą.

Šiuo metu efektyvūs kvantiniai kartotuvai dar tik kuriami – tai viena pagrindinių priežasčių, kodėl tarpžemyniniai bandymai dažnai remiasi palydovais, o ne vien šviesolaidžiais.

Triukšmas ir nuostoliai šviesolaidžiuose

Kvantiniai signalai yra labai jautrūs triukšmui. Net ir aukštos kokybės šviesolaidžiuose fotonai:

prarandami dėl sugerties ir sklaidos;
iškraipomi dėl temperatūros ir mechaninių svyravimų;
sumaišomi su foniniu šviesos triukšmu.

Todėl šiandieniniai žemyniniai QKD tinklai dažniausiai ribojami keliais šimtais kilometrų tarp aktyvių mazgų, o tarpžemyniniai eksperimentai ieško būdų derinti šviesolaidžius su palydovais ir būsimais kvantiniais kartotuvais.

Palydovų ir antžeminių stočių infrastruktūra

Palydovinis kvantinis ryšys reikalauja:

ypač tikslios palydovo ir antžeminės stoties orientacijos;
aukštos kokybės optinių teleskopų ir filtrų;
stabilios atmosferos sąlygų – debesuotumas ir turbulencija stipriai veikia signalą;
sudėtingo laiko sinchronizavimo tarp skirtingų žemynų.

Visa tai didina projekto kainą ir sudėtingumą, tačiau pirmieji sėkmingi bandymai rodo, kad technologija yra įgyvendinama.

Ką kvantinis internetas pakeis praktikoje?

Kvantinis internetas dažnai pristatomas kaip „nesulaužomo šifravimo“ garantas, tačiau jo poveikis bus platesnis. Jis pakeis ne tik saugumą, bet ir tai, kaip dirba kvantiniai kompiuteriai, debesų paslaugos ir valstybinės institucijos.

Kibernetinis saugumas ir kritinė infrastruktūra

Vienas svarbiausių kvantinio interneto taikymų – ilgalaikis jautrių duomenų saugumas. Tai ypač aktualu:

vyriausybinėms institucijoms ir kariuomenei;
bankams ir tarpbankiniams atsiskaitymams;
sveikatos apsaugai (medicininiai įrašai);
energetikos ir transporto infrastruktūrai.

Dabartiniai šifravimo algoritmai (pvz., RSA) teoriškai gali būti nulaužti pakankamai galingu kvantiniu kompiuteriu. Kvantinis raktų paskirstymas siūlo fizika paremtą saugumą, nepriklausomą nuo skaičiavimo galios.

Kvantinių kompiuterių jungimas į tinklus

Kvantinis internetas leis ne tik keistis raktais, bet ir jungti kvantinius kompiuterius į paskirstytas sistemas. Tai atvers kelią:

paskirstytiems kvantiniams skaičiavimams;
kvantiniam debesų kompiuterijos modeliui;
naujoms protokolų klasėms, kurių šiandien dar neturime klasikiniame internete.

Tokie tinklai galėtų spręsti sudėtingas optimizavimo, chemijos, medžiagų mokslo ir mašininio mokymosi užduotis, dalijantis kvantinėmis būsenomis tarp skirtingų centrų.

Privatumas ir duomenų apsauga

Kvantinis internetas suteiks ir naujų privatumo garantijų. Pavyzdžiui:

Informacijos teisiškai jautriems sektoriams (teisininkams, žurnalistams, žmogaus teisių gynėjams) – galimybė komunikuoti kanalais, kurių pasiklausyti praktiškai neįmanoma nepastebimai.
Ilgalaikė duomenų apsauga – net jei šifruotas srautas įrašomas šiandien, ateityje jį bus sunku iššifruoti, nes raktai gauti kvantiniu būdu ir niekur nelaikomi atvirai.

Kada kvantinis internetas taps realybe?

Šiandien kvantinis internetas yra maždaug ten, kur klasikinis internetas buvo 8–9 dešimtmečiais: daug eksperimentų, riboti tinklai, aiški vizija, bet dar ne masinė paslauga.

Artimiausio dešimtmečio prognozės

Remiantis viešais tyrimų programų ir pramonės planų duomenimis, per artimiausius 5–10 metų tikėtina:

stambiuose miestuose ir tarp jų atsiras komerciniai kvantinio raktų paskirstymo tinklai (kai kur jie jau veikia bandomuoju režimu);
bus išplėsta Europos, Azijos ir Šiaurės Amerikos kvantinė infrastruktūra, sujungiant ją palydoviniais kanalais;
pasirodys pirmieji tarpžemyniniai kvantiniai ryšiai, naudojami realioms finansinėms ir vyriausybinėms operacijoms;
kvantiniai kartotuvai pereis iš laboratorijų į ribotus pilotinius tinklus.

Visuotinis, kasdieniam vartotojui prieinamas kvantinis internetas – vis dar tolimesnė perspektyva. Tačiau kritinėms institucijoms ir verslams kvantinis ryšys gali tapti realybe gerokai anksčiau.

Ką tai reiškia Lietuvai ir Baltijos regionui?

Lietuva ir kitos Baltijos šalys, turinčios gerai išvystytą šviesolaidžių infrastruktūrą ir aktyvius lazerių bei fotonikos sektorius, turi potencialą:

tapti regioniniais kvantinio ryšio mazgais tarp Skandinavijos, Vidurio Europos ir Rytų partnerių;
plėtoti mokslinius centrus, dirbančius su kvantiniais fotonikos sprendimais;
kurti nišines saugaus ryšio paslaugas finansų, gynybos ir viešojo sektoriaus klientams.

Įsitraukimas į Europos kvantines programas gali padėti regionui ne tik naudotis, bet ir kurti kvantinio interneto technologijas.

Išvados

Kvantinis internetas ir pirmieji tarpžemyniniai bandymai rodo, kad pereiname į naują ryšio erą. Nors dar nemažai technologinių kliūčių – kvantiniai kartotuvai, nuostoliai šviesolaidžiuose, sudėtinga palydovinė infrastruktūra – kryptis aiški: saugus, fiziškai pagrįstas ryšys, atsparus net ir būsimų kvantinių kompiuterių atakoms.

Įmonėms ir valstybėms, kurios jau šiandien pradeda ruoštis kvantinei erai, tai gali tapti strateginiu pranašumu. O mums, interneto naudotojams, kvantinis internetas pirmiausia reiškia saugesnį skaitmeninį pasaulį, kuriame privatumas paremtas ne vien pažadais, bet ir fizikos dėsniais.

DUK apie kvantinį internetą

Ar kvantinis internetas bus prieinamas namų vartotojams?

Artimiausiu metu kvantinis internetas bus orientuotas į institucinius ir verslo klientus – bankus, vyriausybes, kritinę infrastruktūrą. Namų vartotojai greičiausiai naudosis hibridinėmis paslaugomis, kuriose jų duomenys bus apsaugoti kvantiniu raktų paskirstymu tarp duomenų centrų, tačiau jiems patiems nereikės specialios įrangos.

Ar kvantinis internetas reiškia, kad dabartinis šifravimas taps nereikalingas?

Ne. Net ir atsiradus kvantiniam internetui, klasikinis šifravimas išliks – tiesiog dalis raktų bus generuojami ir perduodami kvantiniais kanalais. Be to, vystomas ir postkvantinis šifravimas, atsparus kvantiniams kompiuteriams, kurį galima naudoti ir be kvantinio ryšio infrastruktūros.

Ar kvantinis internetas gali būti nulaužtas?

Kvantinio interneto saugumas paremtas fizikos dėsniais, todėl teoriškai bet koks pasiklausymas palieka pėdsakus. Tačiau pačios sistemos gali turėti inžinerinių ar programinių pažeidžiamumų. Tai reiškia, kad nulaužti kvantinį protokolą yra labai sunku, bet išliks rizika dėl neteisingai sukonfigūruotos įrangos, žmogiškų klaidų ar kitų klasikinių saugumo spragų.