Квантовый интернет: особенности и принципы работы

Технологии не стоят на месте и непрерывно развиваются. Конечно, о телепортации и квантовом скачке говорить пока рано, но перспективы квантовых вычислений уже отчетливо вырисовываются. Очень скоро появится принципиально новый способ обмена информацией между суперкомпьютерами. Сегодня давайте рассмотрим квантовый интернет — что это такое простыми словами, какие плюсы и минусы имеет, историю и перспективы развития, какие новые возможности предоставит пользователям.

Что такое квантовый интернет?

Квантовый интернет — способ мгновенного обмена данными, использующий физический принцип квантовой запутанности. Разрабатывается он, в первую очередь, для связи между квантовыми суперкомпьютерами, а также квантовыми дата-центрами, которые появятся в будущем. Квантовые компьютеры, которых в конце 2024 года в мире существовало уже более 200 штук, выполняют вычисления с помощью квантовых кубитов. В отличие от традиционного способа обработки данных, когда одна ячейка памяти может принимать значение или 0, или 1, кубит одновременно способен быть равным и 0, и 1, что теоретически позволяет обрабатывать все возможные состояния, а скорость вычислений повышается в миллионы раз.

Соответственно, с помощью такого суперкомпьютера взломать любой протокол безопасности, используемый в современном интернете, методом банального подбора ключей шифрования — задача нескольких минут. К счастью, такие установки очень дорогие и сложные в эксплуатации и обслуживании, поэтому случаев использования их злоумышленниками пока не выявлено. Однако это не значит, что они не появятся в будущем, поэтому для обмена информацией между квантовыми компьютерами требуются совсем другие принципы защиты.

Как сказано выше, квантовый интернет базируется на физическом принципе квантовой запутанности: две элементарные частицы благодаря возникшей сильной связи настолько синхронизируют свое поведение, что изменение состояния одной из них моментально отражается на другой невзирая на расстояние. В теории это подразумевает, что информацию можно будет передавать мгновенно с одного континента на другой. Однако, практике пока сложно существенно увеличить расстояние между связанными частицами, но в этом направлении ведутся активные разработки. Связность частиц также означает, что не существует способов перехвата передаваемых между ними данных без их искажения, так как любые попытки внедрения в такую систему отражаются на состоянии частиц. Кроме того, уже сегодня разработано несколько способов распределения квантовых ключей шифрования, гарантирующих 100% устойчивость к взлому.

Краткая история развития квантовых технологий

В 1982 году идея квантового компьютера, а также некоторые теоретические выкладки впервые были озвучены американским физиком Ричардом Филлипсом Фейнманом, лауреатом Нобелевской премии. За несколько десятилетий учеными всего мира совершены огромные шаги в этом направлении:

• 90-е годы — разработка способов и принципов квантовой криптографии, исследование возможностей первых квантовых вычислительных систем.
• 2000-е годы — создание первой экспериментальной локальной квантовой сети, проверка на практике способов квантового распределения шифровальных ключей.
• 2010-е годы — значительный прорыв в сфере квантовой запутанности применительно к большим расстояниям, дальнейшее усовершенствование способов шифрования данных.
• 2020-е годы — разработка стандартов для квантовых сетей IETF и теоретической базы по внедрению квантового интернета.

Преимущества Квантового Интернета

Такая продвинутая технология имеет несколько преимуществ по сравнению с традиционными способами обмена данными. Главные ее достоинства — высокая степень безопасности, колоссальная скорость и интересные возможности, которые нельзя реализовать без объединенных в единый пул квантовых компьютеров.

Безопасность

Принцип квантовой запутанности гарантирует 100% защищенность такого канала связи и сводит к нулю эффективность любых попыток взлома. Возможный перехват изменяет состояние попавших под его влияние запутанных частиц, не давая возможности получить корректные данные. К тому же с технической реализацией подобной задачи связаны колоссальные сложности: на данный момент даже ведущие мировые физики не представляют даже в теории, с помощью какого именно устройства это удалось бы сделать.

Скорость

Мгновенный обмен данными между компьютерами, расположенными на разных континентах — это быстрее текущего рекорда 319 Тбит/с, который удалось установить японским ученым с помощью новейшего оптоволокна. В будущем можно будет реализовать мгновенную синхронизацию данных между удаленными точками без каких-либо задержек. В частности, это обеспечит абсолютно точную синхронизацию времени между разными устройствами, что актуально, например, для систем геопозиционирования и финансовой сферы.

Новые Возможности

То, как работает квантовый интернет, дает возможность эффективно соединять квантовые компьютеры в мощные сети, позволяя выполнять параллельные вычисления на совершенно новом уровне, решая задачи, которые невозможны для классических систем. В таких областях, как квантовая телепортация, моделирование молекул и материалов, а также глубокий анализ больших данных, квантовый интернет может сыграть решающую роль, позволяя обмениваться данными в совершенно новом формате. Когда квантовые компьютеры станут достаточно мощными, они смогут взломать традиционные криптографические системы. Квантовая связь, напротив, устойчива к таким атакам, так как использует физические принципы, а не математические алгоритмы.

Вызовы и Перспективы

Внедрение квантового интернета связано с рядом сложностей, что бросает серьезный вызов современным ученым:

• Технические аспекты. Создание квантовой запутанности и ее поддержание на значительно расстоянии — серьезная задача для физиков, работающих над квантовыми вычислениями
• Скорость развития. Практическое применение не успевает за теоретическими выкладками. Ряд изобретений в этой сфере пока еще невозможно внедрить из-за отсутствия подходящих конструкционных материалов.
• Широкое распространение квантовых вычислений создает значительную угрозу традиционным компьютерным сетям, использующим современные методы шифрования данных.

Что такое квантовый интернет вещей, говорить пока еще рано. Однако, как прогнозируют ученые, квантовый интернет внедрят повсеместно, в том числе даже для таких тривиальных задач, как, например, синхронизация смартфона с фитнес-трекером — в том виде, в котором они будут существовать на тот момент. Также нужно отметить, что мгновенный обмен данными раскрывает широкие перспективы в области разработки софта: несомненно, появятся новые типы компьютерных программ и видеоигр, базирующихся на такой особенности квантового интернета.

Как квантовые сети изменят повседневную жизнь

Высокая скорость обмена данными — одно из основных преимуществ рассматриваемой технологии. Предположительно, квантовый интернет вряд ли сразу же вытеснит ставший стандартом оптоволоконный, так как у этого способа обмена информацией потенциала хватит еще на несколько десятилетий. Скорее всего, квантовый интернет будет объединять мощные квантовые дата-центры, расположенные на разных континентах. Такая колоссальная суммарная вычислительная мощность поможет, в первую очередь, ученым в решении задач, для которых мощностей существующих компьютеров пока недостаточно.

В перспективе, например, моделирование огромного количества сложных химических реакций для получения новых материалов, которые можно будет использовать в производстве, электронике и строительстве, разработка новых лекарств, более эффективно справляющихся с уже известными болезнями и недугами, которые появятся в будущем, разработка более мощных удобрений, значительно повышающих урожайность сельскохозяйственных культур. Последнее актуально в борьбе с мировым голодом: согласно статистике, сегодня почти треть людей на Земле не получает достаточно пищи.

Квантовые технологии для бизнеса, конечно же, тоже найдут применение. Такой способ обмена данными полностью защищен от взлома, что позволит внедрить квантовые деньги — полностью безопасные платежные системы на базе криптовалют. Нейросети, которые можно запускать на квантовых компьютерах, будут намного умнее существующих сегодня и вполне успешно будут использованы для автоматизации производственных задач и бизнес-процессов, взяв на себя часть рутинных работ.

Дело за «малым» — доработать существующие способы связи, чтобы передавать данные моментально без учета расстояния между разными компьютерами. Ученые единогласны во мнении, что такое научное открытие по своей значимости для человечества не уступит изобретению колеса или запуску первого искусственного спутника Земли.