Квантовый интернет: что нужно для создания сетей будущего
Дата публикации: 22.10.2015
В последние годы процессоры компьютеров перестали наращивать гигагерцы – возможности полупроводниковой микроэлектроники подходят к своей границе. Закон Мура о том, что количество транзисторов в микросхеме должно удваиваться каждые два года, доживает свои последние дни. Big Data – Большие данные – становятся слишком уж Big. Очевидно, что нужно искать и применять новые технологии, особенно в области телекоммуникаций: без информационных сетей в современном мире – никуда.
Из того, чем ученые располагают сейчас, наиболее эффективно могут помочь квантовые технологии. Полноценный квантовый компьютер, который с легкостью решает невозможные для кремниевой электроники задачи, пока собрать не удалось. Но некоторые устройства и методы, основанные на квантовых принципах, внедряются уже сейчас, чтобы завтра мы могли воспользоваться новыми принципами передачи, защиты и обработки данных в квантовом интернете.
Стратегии развития квантовой отрасли в России обсуждали в Петербурге на минувшей неделе – 15 октября эксперты в сфере квантовых коммуникаций собирались на конференцию «Квантовые коммуникации – инфраструктура будущего». О том, как работают квантовые коммуникации, мы уже рассказывали на страницах портала Университета ИТМО (интервью с руководителем университетской лаборатории квантовой информатики Артуром Глеймом читайте здесь). Ниже мы приводим фрагменты докладов с конференции о том, что нужно для создания пока еще мифического квантового интернета и как ученые пытаются приблизить будущее.
Битва за патенты и «первые ласточки» квантовых коммуникаций
Чтобы продемонстрировать картину развития квантовых технологий в мире, представитель Центра научно-технического форсайта Университета ИТМО Кирилл Разгуляев составил анализ патентной и инвестиционной активности научных организаций и коммерческих компаний. По его словам, наибольший «бум» патентования приходится на 2003-2004 годы, и держатели наибольшего количества патентов сосредоточены в Японии и США.
«Статистика за разные годы дает возможность говорить о том, что крупные японские и американские компании давно являются патентодержатлями в этой области, хотя реально внедряться квантовые технологии начинают только сейчас. Крупные игроки заранее разметили рынки еще до того, как начали появляться реальные устройства», – комментирует Кирилл Разгуляев.
Известные крупные проекты по развитию квантовой инфраструктуры, включающей вычисления и коммуникации, в мире сложилось несколько – в ЕС, Великобритании, Японии, Китае, США и Австралии. К примеру, в Китае квантовой линией связи соединены Пекин и Шанхай (а к 2020 году планируется запустить спутниковую систему рассылки ключа), в Японии ведутся работы по передаче потокового видео по квантовым каналам и интеграции квантовых принципов в гибридные системы с мобильной аппаратурой. При этом крупные узлы – это конгломераты исследовательских центров, корпораций, госструктур, спецслужб, фондов. Например, в Нидерландах ядро складывается вокруг Дельфтского университета, куда вкладываются Intel, Microsoft и правительство Нидерландов. В США центров развития новых принципов связи два: на западе страны свои исследования ведут Microsoft, Google и университеты, а на востоке – агентства DARPA, IARPA и другие. В японском проекте участвуют крупнейшие корпорации как Toshiba, Nec, Mitsubishi, Hitachi.
На нынешнем этапе доступными и используемыми можно назвать только технологии защиты канала связи с помощью квантовой криптографии. Квантовые сети сейчас представляют собой простейшие соединения точка-точка, максимальное расстояние между которыми составляет около 300 км, и исследователи пытаются создавать гибридные решения – объединять разные каналы связи и схемы шифрования.
«На последнем этапе интеграции квантовых технологий должны появиться полноценные квантовые сети, которые не просто позволяют защитить канал квантовым ключом. Будет возможность использовать запросы в базы данных, построенные на квантовых принципах, проводить распределенные квантовые вычисления, в перспективе это означает переход к квантовому интернету», – отмечает Кирилл Разгуляев.
Перспективы России
Одно из важных свойств интернета будущего – безопасность передачи данных – реализуется уже сейчас с помощью систем квантовой криптографии. В этой области ученые продвинулись достаточно далеко: по дальности и скорости передачи квантовых сигналов ставятся все новые рекорды, а устройства для квантовой связи вполне востребованы на рынке. Как рассказывает глава лаборатории квантовой информатики Международного института фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО Артур Глейм, в вопросах изучения квантовых технологий Россия занимает далеко не последнее место в мире.
«Если рассматривать ключевые элементы технологии, выяснится, что результаты российских исследователей являются более чем существенными. Например, лучший в мире детектор однофотонного излучения разрабатывается в Курчатовском институте, у нас создаются и внедряются устройства с крайне высокими эксплуатационными характеристиками, – комментирует Артур Глейм. – И здесь встает вопрос: что нужно сделать для того, чтобы все эти технологии потребители могли использовать в своих ежедневных задачах».
Артур Глейм подчеркивает, что для скорейшего формирования квантовой инфраструктуры в стране должна появиться новая площадка, новая взаимосвязь между потребителем, телекоммуникационным оператором и разработчиком, чтобы они могли вместе сформировать новые стандарты и правила работы. Университет ИТМО проводит собственные исследования – линия квантовой связи успешно функционирует между двумя корпусами вуза, однако нужны новые пилотные проекты, в которые вовлечены больше участников. Совместная работа представителей бизнеса, власти и науки поможет решить ряд принципиальных задач и обеспечить реально действующие квантовые сети в пределах города и магистрали в полном объеме.
Чего не хватает интернету, чтобы стать квантовым
В первую очередь для создания жизнеспособного прототипа квантовой сети разработчикам требуется решить вопрос совместимости специфического оборудования для квантовой передачи информации и существующих телекоммуникационных сетей. Как рассказывает специалист компании «Супертел» и главный конструктор систем частотно-временного обеспечения SynClock Андрей Иванов, основную сложность сейчас представляют вопросы коммутации и усиления сигналов.
«Если мы отправим квантовый сигнал по оптоволокну, которое проложили телекоммуникационные операторы, он просто не пройдет через регенератор. Вопрос можно решить, если преобразовать квантовый сигнал в электрический, а затем снова в оптический; предел между двумя точками передачи пока что составляет около 300 км, значит, мы можем рассчитывать на такой регенерационный участок, – рассказывает Андрей Иванов. – Если мы говорим о сетевой структуре коммутации, необходим и прототип квантового коммутатора. Сейчас вопрос также можно решить с помощью классической электрической коммутации, но в идеале нужны именно оптические решения. Это пока что чересчур экзотические задачи, реализация которых в полном объеме может быть, скажем, через 10 лет».
Не менее важна разработка стандартов, по которым будут работать специализированное оборудование и софт. Артур Глейм отмечает, что работа в этом направлении ведется, но официально принятого стандарта квантовой коммуникации пока что нет, поэтому необходимо консолидировать усилия в этом направлении и вывести национальные разработки на евразийский уровень. Представитель Центра научно-технического форсайта Университета ИТМО Дмитрий Хан также отмечает – те, кто первым разработает стандарт отрасли, с большой вероятностью займут доминирующее положение на рынке.
«Поэтому нам стоит задуматься о разработке российского стандарта квантовой передачи данных. Тот, кто разрабатывает собственные устройства по этому стандарту, имеет приоритетные шансы занять монопольное положение на мировом рынке в этой отрасли», – подчеркивает Дмитрий Хан.
Приближаем будущее
По итогам конференции участники приняли решение сформировать консорциум, в который войдут научно-исследовательские организации, производители, операторы и потребители устройств на квантовых принципах, а также представители органов государственной власти. Консорциум будет работать над тем, чтобы решить описанные выше задачи – сформировать в стране собственную инфраструктуру квантовых коммуникаций и вычислений, разработать стандарты и протоколы для работы устройств на квантовых принципах, придумать способы интеграции квантовой информатики в существующую инфраструктуру.
Планируется, что отдельные лица или организации внутри консорциума будут курировать развитие определенных направлений квантовой отрасли – квантовые коммуникации, вычисления, хранение информации и так далее. Кроме того, рабочая группа сформирует консолидированную дорожную карту по развитию российских квантовых технологий, а в Москве, Санкт-Петербурге, Казани и Орле будут запущены пилотные проекты по развитию квантовой инфраструктуры.
Помимо этого, развитие квантовой инфраструктуры активно продвигается в Национальной технологической инициативе, где уже сформулированы ключевые проекты: наземная и спутниковая квантовая инфраструктура, стандарты квантовых коммуникаций, развитие устройств на квантовых принципах, формирование консорциума по развитию квантовых технологий. Организаторы конференции подчеркивают: мероприятие является частью большой инициативы по созданию новой отрасли, и его итоги подтверждают важность тематики.
Александр Пушкаш,
Редакция новостного портала Университета ИТМО