КВАНТ
ИСТИНЫ
ИСТИНЫ
ПУТЕШЕСТВИЕ
КОТА ШРЁДИНГЕРА ИЗ ПЕТЕРБУРГА В МОСКВУ
Отец квантовой механики Эрвин Шредингер когда-то предложил мысленный эксперимент для описания её абсурдности с точки зрения классической физики. Вы наверняка о нём слышали.
Помещаем кота в ящик, там — капсула с синильной кислотой, которая может разбиться в любой момент, а может и не разбиться вовсе. Парадокс: пока мы не откроем крышку, кот одновременно и жив, и мёртв. Это сравнение использовалось для описания так называемой “квантовой суперпозиции”: принципа, по которому мельчайшие частицы – кванты – могут находиться в нескольких состояниях, до тех пор, пока мы их не измерили.
Слово “квант” захватило умы человечества и поработило художественную культуру: квантовые устройства и вычисления есть везде: от научной фантастики до комедий. Но в наши дни действительность уже переплетается с самыми смелыми фантазиями. Если в сериале Devs (“Разработчики”) Алекса Гарленда квантовый компьютер точно моделирует все события в будущем, то что вы скажете, когда услышите: Российские железные дороги в ближайшие годы развернут в России несколько тысяч километров квантовых сетей?
Да, сегодня квантовая теория не ограничивается экспериментами — ни мысленными, ни физическими. Девайсы, основанные на квантовых объектах, активно внедряются в самые разные сферы жизни и практически готовы к полноценному коммерческому использованию. Например, летом 2019 года российское правительство подписало с ОАО «РЖД» соглашение о развитии квантовых коммуникаций, а уже через год в России утвердили соответствующую дорожную карту и приступили к её активной реализации.
Что это такое, зачем это железным дорогам и как это будет работать? Разбираемся!
ЧТО ЗА "КВАНТОВАЯ СЕТЬ"?
Представим себе, что у нас есть набор данных, который нужно передать по сети так, чтобы никакой сторонний человек не смог их перехватить. Например, данные кредитной карты при оплате. Для удобства воспользуемся именами, которые традиционно используют специалисты в криптографии: Алиса, Боб и Ева.
Алиса должна отправить какой-то набор данных Бобу, а Ева в этой схеме — злоумышленник, она пытается их перехватить.
Данные в сетях передаются в зашифрованном виде, и в классической модели шифрования происходит вот что. Алиса хочет передать нечто Бобу, так, чтобы Ева об этом не знала. Что нужно сделать? Правильно, договориться о шифре. Для этого Боб создает два ключа шифрования (случайный набор символов) приватный и публичный. Боб отправляет Алисе публичный ключ, а секретный оставляет себе. С помощью публичного ключа Алиса кодирует то, что хочет передать Бобу. Загвоздка в том, что для обратного декодирования публичного ключа уже будет недостаточно – он не работает без секретного. И предполагается, что даже если Еве будет известен публичный ключ (на то он и публичный), то она все равно не сможет дотянуться до ключа Боба.
Правда, не всё так просто, если Ева становится более прокачанной. В чём проблема? Как мы помним, ключ – это в любом случае набор символов, которые генерируются компьютерами. А поскольку базовый язык общения компьютерных Алисы и Боба – двоичный код, то и ключи в конечном счёте будут просто набором из нулей и единиц, и комбинацию можно подобрать путём перебора.
К счастью, классические компьютеры тратят на решение подобных задач уйму времени, но всё меняется, когда на арену выходят квантовые технологии.
Помните про суперпозицию? Свойства квантовых частиц используются и в вычислениях – квантовые компьютеры потенциально будут способны разгадывать алгоритмы шифрования гораздо быстрее – и в самой криптографии.
При квантовом распределении ключа Алиса отправляет Бобу случайный набор бит информации (поток квантов света — фотонов), а Боб случайно её измеряет. Совпадения фиксируются и используются как ключи. Ева, конечно, может подслушивать, но мы помним, что объект становится либо нулём, либо единицей в зависимости от наблюдения. Так что, если и Ева тоже измерит данные, то это изменит свойства квантовых частиц. Количество ошибок (несовпадений) в общении Алисы и Боба при передаче ключа увеличится, и обе стороны поймут: в их коммуникации есть кто-то третий. Таким образом, переданный ключ является гарантированно закрытым от перехвата Евой и может быть безопасно использован Алисой и Бобом для дальнейшего шифрования при обмене информацией по открытым каналам связи.
При этом данные в квантовой сети передаются по привычному оптоволокну (благодаря которому вы сейчас читаете этот текст в интернете), а традиционные сети также используют фотоны. Тогда в чем разница? В размере. В традиционных сетях каждый импульс, несущий бит информации, содержит огромное количество фотонов, и этот поток света заметен, его можно незаметно «считать». В квантовых же – в каждом импульсе мельчайшие порции излучения, единичные фотоны.
Но зачем все эти сложности?
ЗАЧЕМ ЭТО ВСЁ
ДЛЯ ЧЕГО ЭТО НАДО?
Давайте вспомним фильмы о всемогущих хакерах, которые за пару строчек кода могут обвалить акции крупных корпораций или парализовать жизнь в государстве на несколько дней. И если кибертеррористы из Крепкого орешка 4, устроившие хаос на Восточном побережье США, кажутся вам выдумкой, то все совсем не так.
В 2010 сетевой червь Stuxnet атаковал закрытые иранские ядерные объекты. Это первый в истории вирус, разрушивший не кинематографическую, а настоящую инфраструктуру. До сих пор неизвестно его происхождение, и никто не знает к чему могла бы привести его деятельность.
7 мая 2021 года в результате кибератаки на пять дней остановилась работа крупнейшей нефтяной трубопроводной системы США – Colonial Pipeline. Из-за этого к 14 мая в столичном Вашингтоне были закрыты 88% заправок – ущерб оценивается в десятки миллионов долларов.
И это только самые яркие примеры. Технологии совершенствуются, и условный квантовый компьютер, когда будет изобретен, потенциально сможет расправиться с системой безопасности большинства ведущих: банков, национальных ведомств, критически важных предприятий и так далее.
Чтобы обезопасить себя, страну и (пусть это пафосно прозвучит) человечество нужно действовать зеркально.
Весь мир стремительно завязывается на данных. Электронное управление городскими сервисами, финансовые операции, и даже государственные процессы, например, выборы. И если они не будут надежно защищены, то нам всем придется крайне не просто.
ЧТО ДЕЛАЕТ
РЖД?
Дело в том, что Российские железные дороги — это не только про поезда и рельсы. РЖД владеет одной из самых разветвлённых оптоволоконных сетей в стране: более 80 тысяч километров, более 30 тысяч узлов сети передачи данных и сеть центров их обработки. Они необходимы, например, для единовременного управления движением тысяч поездов. Именно поэтому компании доверили заняться развитием квантовых коммуникаций в стране.
После подписания дорожный карты с правительством, РЖД объединили десятки компаний и исследовательских организаций. Применение квантовых коммуникаций не будет сконцентрировано только на железных дорогах: защищенные каналы связи востребованы в энергетике и промышленности, здравоохранении и банковской сфере. К 2024 году планируется развернуть тысячи километров квантовых сетей в России. Кроме того: разработка и выпуск абонентских средств, которые позволят подключать клиентов, создание оборудования для беспроводных систем квантовых коммуникаций, в том числе спутниковых, повышение скорости и дальности передачи сигнала, создание сервисов и многое другое.
В периметре создаваемой РЖД экосистемы находятся организации со всей страны: научно-исследовательские и производственные центры в Великом Новгороде, Казани, Москве, Нижнем Новгороде, Новосибирске, Санкт-Петербурге, Пензе, Перми, Самаре. В таких центрах ведется развитие технологий, создаются образцы конечной продукции – это сложнейшие разработки мирового уровня.
Развивается система подготовки кадров в области квантовых коммуникаций и смежных областях (оптика, телекоммуникации, криптография и др.) – начиная от доступных всем онлайн курсов и заканчивая профессиональными стандартами подготовки специалистов. Дорожная карта предполагает «приход» магистральных квантовых линий во многие регионы – по направлениям на восток и на юг от Москвы. Соответственно, возникнет запрос на квалифицированный персонал для строительства и обслуживания таких сетей
Теперь, путешествуя по России, кот Шрёдингера будет точно уверен: он в полной безопасности.
