На пути к квантовому Интернету
Аннотация:
Коммуникационные технологии первыми из «квантовой триады» (в которую входят также вычисления и сенсоры) подходят к черте промышленного внедрения: запускаются первые магистральные квантовые сети. Следующим шагом для индустрии станет создание квантового Интернета, который объединит как абонентов-людей, так и объекты Интернета вещей. Но для этого придётся сначала решить технологическую задачу миниатюризации систем квантовой коммуникации.
Ключевые слова:
квантовый Интернет, квантовые коммуникации, квантовая рассылка ключей, фотонные интегральные схемы, Интернет вещей
Технологии квантовых коммуникаций прочно входят в нашу жизнь. Ещё пятнадцать лет назад это направление было в нашей стране экзотическим, про него знала лишь горстка специалистов в нескольких научных центрах. Сегодня в России они входят в число приоритетных «сквозных» технологий [1], которые определят научное будущее страны.
Квантовая сеть — технологическая система, включающая технические средства (расположенные в её узлах) и линии связи (квантовые и «классические» каналы), предназначенные для передачи квантовой информации. Квантовые сети могут реализовывать одну из двух функций: передача информации (например, с применением квантовой телепортации или сверхплотного кодирования) и защиты информации (с помощью протоколов квантового распределения ключей или квантовой подписи). Сети передачи квантовой информации представляют интерес в первую очередь для обмена данными по волоконно-оптическим каналам между квантовыми компьютерами. Таким образом, в будущем из них удастся составить кластеры, которые позволят добиться повышения совокупной производительности и обеспечить географически распределенную обработку информации.
Наиболее развитой субтехнологией является квантовое распределение ключей (КРК). Её суть состоит в генерации и рассылке между парой абонентов симметричных секретных ключей, используемых для шифрования, с помощью одиночных фотонов — квантов света — по оптическому волокну или атмосферному каналу. Квантовые свойства фотонов (невозможность их разделить, клонировать или повторно измерить) гарантируют такому каналу защиту от подслушивания; легитимные пользователи обнаруживают вмешательство в него по росту уровня ошибок при передаче сообщений. Отечественные коммерческие компании, такие как ООО «СМАРТС-Кванттелеком», уже предлагают первые рыночные продукты в области КРК. ОАО «Российские железные дороги», являющееся оператором «дорожной карты» по развитию квантовых коммуникаций [2], создаёт основанные на этих решениях магистральные сети КРК, соединившие Санкт-Петербург, Москву и Нижний Новгород. В 2024 году планирует продлить их на юг до Сочи через Ростов-на-Дону и на восток до Екатеринбурга через Казань [3].
Развитие технологии КРК в России в целом лежит в рамках мировых тенденций: в Европе, Китае, США и ряде других стран первым шагом тоже было строительство квантовых магистралей. Однако можно сказать, что в последнее время вектор научного развития в области сместился на пользовательские устройства и приложения. У этого есть две причины. С одной стороны, технологически магистральные системы КРК достигли своеобразного «насыщения». Поскольку в квантовых сетях нельзя использовать привычные для телекоммуникаций усилители, скорость квантовой рассылки ключей экспоненциально падает с расстоянием. И хотя в лабораторных условиях удалось передать квантовые ключи по оптическому волокну на расстояния более 1000 км [4], в реальных сетях достаточные для практических приложений параметры передачи обеспечиваются лишь на пролётах протяжённостью от 50 до 150 км. С другой стороны, из этого следует, что дальнейшая эволюция технологии КРК (в том числе снижение стоимости изделий, остающейся одним из тормозящих отрасль факторов) будет обеспечиваться за счёт масштабирования: подключения всё большего числа как можно более разнообразных абонентов.
Как построить квантовый Интернет?
Сегодня готовые к промышленной эксплуатации и проходящие сертификацию магистральные системы КРК предназначены для монтажа в серверные стойки и имеют соответствующие габариты, сравнимые с размерами магистральных шифраторов. Для того, чтобы сделать технологию КРК по-настоящему массовой, потребуется провести миниатюризацию, разработать решения для размещения на рабочих столах абонентов, на подвижных платформах (в том числе беспилотных транспортных средствах), а в долгосрочной перспективе понадобятся решения для БПЛА и даже для устройств, носимых человеком (на отдельном носителе или интегрированные, например, в смартфон). Выполнение этих задач ознаменует переход к квантовому Интернету.
Кстати, этот термин недавно стал в России официальным. В конце 2023 года Росстандартом были утверждены первые четыре предварительных национальных стандарта в области квантовых коммуникаций, включая «Квантовые коммуникации. Термины и определения» и «Квантовый Интернет. Термины и определения». Согласно им:
«квантовый Интернет — глобальная информационная квантовая сеть, в узлах которой формируется, обрабатывается и хранится квантовая информация, и узлы которой соединены квантовыми каналами» [5];
«квантовый Интернет вещей — Интернет вещей с использованием квантовых технологий» [6].
Как мы видим, это разные термины, но коммуникации играют в обоих случаях ведущую роль, связывая все элементы сети.
Квантовый Интернет в перспективе рассматривается как глобальная сеть, объединяющая распредёленные квантовые вычислители, сенсоры и обеспечивающая защищённую связь между абонентами с помощью КРК. На сегодняшний день его технический облик до конца не сформировался, поэтому мы рассмотрим сценарии применения квантовых коммуникаций в более узком контексте: для приложений Интернета вещей на примере КРК как самой развитой субтехнологии. В этом случае цель будет состоять в том, чтобы обеспечить защиту каналов связи между абонентами (например, каналов управления беспилотными объектами) с помощью симметричных ключей шифрования, сгенерированных и распределённых квантовыми методами. Для этого на каждом узле потребуется разместить модули системы КРК и обеспечить их связь по квантовому каналу. Учитывая, что многие узлы квантового Интернета вещей будут мобильными объектами, этот канал должен быть не оптоволоконным, а воздушным (или гибридным).
Следует отметить, что поскольку миниатюризация КРК для размещения на подвижных объектах (особенно летающих) является непростой задачей, можно рассмотреть промежуточную ступень эволюции квантового Интернета вещей, основанную на применении квантово-защищённых ключей — секретных ключей, защита которых при передаче или хранении осуществляется с использованием квантового ключа (ключей) [5].
В этом сценарии квантовые ключи, непосредственно генерируемые системами КРК, формируются только между связанными квантовыми каналами стационарными узлами сети. После этого полученные ключи помещаются в защищённые криптоконтейнеры (формируемые также с помощью «сервисных» квантовых ключей) и передаются абонентам по обычным каналам связи. В этом случае квантовая защита при распределении ключей не достигается, но остаются другие преимущества, такие как автоматизация генерации и доставки ключей, более частое их обновление и высокое качество (в случае применения в КРК квантовых генераторов истинно случайных чисел). Более подробно данный сценарий рассматривается в [7] и [8].
Несколько перспективных сценариев представлено на рисунке 1.
Вариант 1: мобильный узел производит со стационарной рабочей станцией обмен квантовыми ключами, которые затем используются для защищённого обмена данными между ними. В качестве примера можно рассмотреть носимую человеком «Систему КРК в кармане» и квантово-защищённый банкомат. Другим примером служит эксперимент, который проводился в 2017 году в Канаде: в нём учёные осуществили сеанс КРК между летящим самолётом и наземной станцией [9].
Вариант 2: подвижная рабочая станция обменивается квантовыми ключами с несколькими летающими мобильными узлами. Аналогично варианту 1, ключи используются для защищённого обмена данными с квазистационарной (передвижной, но находящейся в состоянии остановки) рабочей станцией. Пример: беспилотный грузовик выступает в качестве передвижного центра управления роем летающих дронов, осуществляющих аэроразведку. Дроны периодически возвращаются к грузовику для подзарядки и обновления ключей. Научные группы в Китае и США уже продемонстрировали первые эксперименты с обменом квантовыми ключами между летающим дроном и станцией оператора на расстояния до 200 метров [10].
Вариант 3: летающий мобильный узел обменивается квантовыми ключами с несколькими квазистационарными узлами, доставляя на них квантовый мастер-ключ, общий для всей сети. После этого все узлы обмениваются между собой данными, зашифрованными с помощью мастер-ключа. Таким образом, дрон используется как доверенный узел связи при обмене квантовыми ключами между несколькими подвижными станциями. Пример: дрон подлетает к беспилотному грузовику, обменивается с ним квантовым ключом К1, затем перемещается ко второму беспилотному грузовику и обменивается с ним квантовым ключом К2. Зашифровав хранящийся в памяти дрона ключ К1 с помощью сессионного ключа К2, дрон передаёт его грузовику. В результате оба грузовика смогут организовать защищённый обмен данными с применением К1, как если бы они были соединены квантовым каналом.
Вариант 4: аналогично варианту 3, но с использованием стационарных узлов. Пример: беспилотный грузовик обменивается данными с элементами умной дороги, объединенными в сеть. Квантовые ключи могут применяться для защиты канала управления и при поддержании сеанса видеосвязи с установленных на грузовик камер [11]. Другим примером может служить обмен квантовыми ключами и зашифрованной ими информацией с помощью спутника. Такая возможность была продемонстрирована Китаем: первый в мире спутник квантовой связи «Мо-Цзы» (Micius) соединил обсерватории в Вене и Пекине [12].
Вариант 5: подвижные абоненты по цепочке обмениваются квантовыми ключами и, затем, данными. Пример: обмен данными между беспилотными автопоездами, следующими колонной друг за другом.
Все вышеперечисленные примеры объединяет то, что для их реализации требуется единый набор технологий: телескопические системы для передачи квантовых сигналов по воздуху, новые архитектуры безопасности сетей Интернета вещей на основе симметричных ключей (сейчас в IoT применяются асимметричные схемы) и главное — миниатюризация систем КРК, особенно для размещения на летающих объектах.
Долгая дорога к миниатюризации
Из вышеизложенного может показаться, что квантовые технологии пока бесконечно далеки от конечных пользователей, однако это иллюзия. К примеру, смартфон Galaxy A Quantum, выпущенный компанией Samsung в 2020 году [13], имеет в составе квантовый генератор случайных чисел от швейцарской компании ID Quantique. Он предназначен для повышения защищённости устройства за счёт генерации сложных паролей.
Хотя системы КРК реализовать в столь малом объёме гораздо сложнее, чем генераторы случайных чисел, за счёт большего числа различных компонентов в их составе, в мире существуют перспективные подходы к их миниатюризации, основанные на применении фотонных интегральных схем (ФИС).
ФИС подобны электронным микросхемам, но предназначены для управления не электричеством, а оптическим излучением (в том числе одиночными фотонами, применяемыми в системах КРК). Следует отметить, что приложения ФИС выходят далеко за рамки квантовых технологий — они представляют большой интерес, к примеру, для высокоскоростных оптических трансиверов.
Подобно тому как электроника в XX веке прошла путь от ламп к транзисторам и затем микросхемам, системы КРК перешли от схем на объёмной оптике к волоконной (кроме космических систем) и сегодня начинают переходить к интегральному исполнению. Тем более, что преимущества ФИС не ограничиваются лишь снижением размеров.
Во-первых, переход на ФИС существенно повысит стабильность функционирования систем КРК. Квантовые устройства всегда демонстрируют очень высокую чувствительность к внешним условиям (изменение температуры или механические напряжения), которая резко ухудшает их характеристики. Реализация на ФИС позволит создавать системы КРК на основе компактных твердотельных элементов, существенно снизив влияние вибраций и температуры на их параметры.
Во-вторых, ФИС прекрасно подходят для массового производства. В будущем окажется возможным буквально «печатать» на литографах оптические схемы систем КРК целыми партиями вместо производства отдельных компонентов с их последующей механической сборкой, что позволит радикально снизить себестоимость.
Реализация систем КРК на ФИС стоит на «трёх китах»: оптические материалы, компоненты (волноводы, источники, приёмники, устройства управления излучением) и схемы протоколов КРК. В данном материале мы сконцентрируемся на первом аспекте.
Основные оптические материалы для реализации ФИС [14], применимых в технологии КРК, приведены в таблице. К ним относятся: кремнезём (диоксид кремния, лат. silica), кремний на изоляторе (SOI), нитрид кремния (Si3N4), ниобат лития (LiNbO3), арсенид галлия (GaAs), фосфид индия (InP) и оксинитрид кремния (SiOxNy).
По таблице можно сделать вывод об отсутствии универсального решения, которое позволило бы реализовать все оптические компоненты систем КРК на единой платформе.
К примеру, SOI характеризуется сильным контрастом показателя преломления (волновода относительно подложки или оболочки), что позволит достичь минимальных размеров волноводов, сильную нелинейность для генерации неклассических состояний света и совместимость с CMOS-процессом (англ., «комплементарная структура металл — оксид — полупроводник»), широко применяемым в полупроводниковой промышленности для создания интегральных микросхем.
Существуют работы, в которых продемонстрирована реализация на платформе SOI лавинных фотодетекторов телекоммуникационного диапазона на основе германия. К сожалению, SOI не обладает возможностью реализовать лазер, а потому размещение на нём источников одиночных фотонов представляет трудность.
Полупроводники группы III–V (GaAs, InP), позволяющие реализовывать источники и быстрые модуляторы излучения на ФИС, демонстрируют низкий контраст показателя преломления, дороже в производстве и имеют более высокие оптические потери, что особенно важно для приёмных модулей систем КРК (поскольку по ним распространяется однофотонный сигнал, несущий информацию, в то время как в модуле отправителя среднее число фотонов, прямым образом влияющее на защищённость системы, отсчитывается от выхода из устройства).
На платформе Si3N4 возможно реализовать только низкочастотную модуляцию параметров оптического излучения, в то время как современные системы КРК работают на частотах кодирования сигналов (смены фазы, поляризации или других параметров) от 100 МГц до нескольких ГГц.
В связи с этим большинство решений сегодня следует гибридной парадигме, когда модули систем КРК строятся не на одной платформе, а на нескольких ФИС из разных материалов, которые затем стыкуются друг с другом. Примером может служить созданный в 2023 году в Великобритании макет системы КРК [15], применяющий чипы на InP для реализации источников излучения и модуляторов, а Si3N4 — интерферометра на основе волноводных компонентов. Чипы совмещались методом краевого соединения (edge coupling). В эксперименте использовались внешние детекторы одиночных фотонов, подключаемые по оптическому волокну. По оценкам авторов, данная система позволит распределять секретные ключи по волоконным каналам с потерями до 40 дБ (порядка 200 км).
К сожалению, при реализации гибридного подхода возникает проблема различий в условиях эксплуатации разных компонентов системы. К примеру, однофотонные источники излучения на основе квантовых точек и наиболее чувствительные детекторы одиночных фотонов обычно работают при криогенных температурах. В то же время, фазовые модуляторы, основанные на термооптическом или электрооптическом эффектах, предназначены для комнатной температуры и не могут работать в таких экстремальных условиях.
Гонка за миниатюризацию, а значит и за пользовательский рынок КРК, в мире пока только набирает обороты. С точки зрения архитектуры систем он включает поиск «идеальной» гибридной платформы и технологий производства, выбор компонентов, работающих при единых внешних условиях. В технологическом аспекте требуется либо обеспечить высокоточное воспроизведение характеристик ФИС при серийной фабрикации (с нанометровой точностью), либо разработать чипы с подстраиваемыми параметрами. Остаются не до конца решёнными вопросы отведения тепла и подвода управляющих оптикой электрических контактов. Потребуется также создание специализированных САПР. В современных условиях Россия берёт курс на технологический суверенитет. Квантовые технологии и фотонные интегральные схемы наверняка станут одними из элементов его фундамента.
Список литературы:
1. Постановление правительства РФ от 2 июля 2020 г. N 974
2. «Дорожная карта» развития высокотехнологичного направления «Квантовые коммуникации» на период до 2030 года, утверждённая президиумом Правительственной комиссии по цифровому развитию, использованию информационных технологий для улучшения качества жизни и условий ведения предпринимательской деятельности (пункт 2 раздела IV протокола от 27 августа 2020 года № 17, пункт 1 раздела I протокола от 28 января 2022 года № 2, пункт 1 раздела IV протокола от 9 ноября 2022 года № 48)
3. https://company.rzd.ru/ru/9401/page/78314?id=211688
4. https://arxiv.org/abs/2303.15795
5. ПНСТ 830-2023 Квантовые коммуникации. Термины и определения
6. ПНСТ 832-2023 Квантовый Интернет вещей. Термины и определения
7. ПНСТ 829-2023 Квантовые коммуникации. Общие положения
8. ПНСТ 906-2023 Квантовый Интернет вещей. Типовой программно-аппаратный комплекс, реализующий функции системы квантового распределения ключей. Архитектура
9. Pugh C. J. et al. Airborne demonstration of a quantum key distribution receiver payload. Quantum Science and Technology – 2017, V.2., №2
10. https://arxiv.org/abs/2302.14012
11. https://www.mdpi.com/2624-8921/5/4/86
12. https://www.iqoqi-vienna.at/research/zeilinger-group/satellite-based-quantum-communication
13. https://www.ixbt.com/news/2020/05/14/samsung-galaxy-a-quantum.html
14. https://www.nature.com/articles/s41377-023-01173-8
15. https://arxiv.org/abs/2308.02238
Об авторе:
Егоров Владимир Ильич, кандидат физико-математических наук, AuthorID: 636560, SPIN-код: 8345-1128
Заместитель директора, Национальный центр квантового Интернета, ИТМО. Начальник отдела научных исследований,
ООО «СМАРТС-Кванттелеком» Россия, г. Санкт-Петербург