Швейцарский физик Николя Жизан о коммуникациях будущего

С китайского космодрома "Цзюцюань" 16 августа взлетела ракета-носитель "Чанчжэн-2D" с первым в мире спутником квантовой связи QUESS (Quantum Experiments at Space Scale). Летательный аппарат массой 500 кг вышел на гелиостационарную орбиту на высоте 1000 км и будет совершать оборот вокруг Земли за 90 мин. В случае успеха эксперимента Китай планирует вывести на орбиту серию спутников квантовой связи для создания глобальной коммуникационной сети. О значении события для мировой науки и экономики рассказал "ДС" профессор Женевского университета Николя Жизан.

"ДС"  Господин Жизан, каковы главные задачи запущенного Китаем квантового спутника?

Н.Ж. Вообще квантовая связь — это революционная связь нового поколения, позволяющая создать безопасные линии коммуникаций на дальние расстояния. В таких системах используется уникальное квантовое шифрование, обеспечивающее абсолютную безопасность передачи данных. Что касается китайского QUESS, то он предназначен для проведения экспериментов по космической связи с использованием квантового шифрования. Главная задача — проверка и усовершенствование технологии. В течение двух лет в процессе реализации миссии QUESS аппарат будет обеспечивать связь с помощью передачи квантовых ключей между двумя наземными станциями, расположенными в Пекине и Вене. Также с помощью спутника планируется провести опыты по квантовой телепортации.

"ДС" В чем главное преимущество квантовых систем связи?

Н.Ж. Главная проблема всех самых продвинутых на сегодня средств передачи информации состоит в том, что их в принципе можно сломать, применив хотя и сложные, но уже доступные методики. Кроме того, поступающие данные можно просто перехватить по пути их поступления к получателю. А вот используемые китайцами квантовые сети не позволяют считать информацию. По крайней мере пока таких методик точно не существует, да и вряд ли они появятся в обозримом будущем. Помимо очевидных преимуществ в отношении безопасности, у квантовой связи есть еще одно достоинство — очень высокая скорость передачи данных.

"ДС" Как работает технология квантового шифрования?

Н.Ж. На борту искусственного спутника QUESS, неофициальное название которого "Мо-цзы" (в честь древнекитайского философа, жившего в IV–V веках до нашей эры и разработавшего философское учение о всеобщей любви. — "ДС") находится оборудование, создающее квантовый канал связи между самим спутником и наземными станциями. Квантовое шифрование основано на том, что информацию о ключе несут единичные фотоны в виде своих характеристик, таких как поляризации, фазы и пр. Если кто-то попытается перехватить информацию, квантовое состояние фотона нарушится, и это тут же заметит получатель сообщения при сверке ключа.

"ДС" Как происходит процесс шифрования?

Н.Ж. На одиночных квантах шифруют случайную последовательность бит и передают их получателю, который считывает значения этой случайной последовательности бит, а потом частично открывает. По открытому каналу можно определить уровень ошибок. Если этот уровень выше допустимого, значит был перехват, и данный ключ нельзя использовать для передачи информации. Если квантовые состояния остались неизменными, ключ применяют для шифрования. Таким образом, надежность связи проверяется моментально, в режиме онлайн.

"ДС" Какой уровень ошибок допустим?

Н.Ж. Считается, что если уровень ошибок больше 11%, то ключ скомпрометирован и использовать его нельзя. Если меньше, ошибки можно исправить и использовать классическую технологию повышения секретности, которая удалит потенциально перехваченную информацию. Это сделать довольно просто с помощью уже давно существующих компьютерных программ.

"ДС" Почему для реализации технологии квантовой связи потребовалось запускать спутник, нельзя ли такую передачу данных использовать на Земле?

Н.Ж. В принципе можно, но пока внедрение системы затрудняется сложностью передачи квантовых ключей на большие расстояния, поскольку происходит процесс поглощения или рассеивания фотонов даже некоторыми молекулами газов. В связи с этим дальность квантовой коммуникации сейчас ограничивается несколькими сотнями километров: рекорд составляет всего 400 км. А безвоздушное космическое пространство обеспечивает беспрепятственное перемещение фотонов на большие расстояния, попутно атмосферные передвижения частиц сокращаются во времени. Разместив спутники связи на геостационарной орбите, можно обеспечить бесперебойно работающую глобальную квантовую коммуникацию.

"ДС" Квантовые спутники создает только Китай или другие страны также?

Н.Ж. Такие технологии в активной разработке у Японии. Думаю, всего через нескольких месяцев она тоже запустит квантовый спутник. Изначально КНР и Япония знали о том, что создают аналогичные системы и соревновались, кто первый выведет квантовый спутник на орбиту. В итоге в этой технологической гонке выиграл Китай, но посмотрим, что предъявит миру его ближайший конкурент. Известно также, что над такой же квантовой системой работают и США, но американцы предпочитают не афишировать свои эксперименты, так что какие козыри у них в рукаве никто не знает.

"ДС" Что дадут миру квантовые коммуникации?

Н.Ж. Технология позволит информации перемещаться без какого-либо физического носителя на огромной скорости. Хотя квантовый коммуникационный спутник запущен пока только Китаем, такие технологии стремительно развиваются. Я уверен, что и многие другие страны в обозримом будущем станут использовать квантовую передачу данных и придут к созданию глобальной квантовой коммуникационной сети. Сверхзащищенный, сверхскоростной вид связи окажет огромное влияние на мировую экономику, упростив банковские операции, мобильные платежи, обеспечит надежнейшую защиту личной информации, финансовых транзакций, а также военной связи. Уверен, что в будущем сети квантовой связи получат такое же распространение, как современные телекоммуникационные.

"ДС" Вы упоминали, что в рамках миссии QUESS пройдут эксперименты по телепортации. Это подразумевает перемещение объектов в пространстве?  

Н.Ж. Не стоит путать квантовую телепортацию с телепортацией, описанной в фантастических фильмах и романах. Думаю, последняя в принципе осуществима, но в отдаленном будущем. Что касается квантовой телепортации, то перемещается не объект, а информация о его квантовом состоянии. Все квантовые объекты, включая фотоны, элементарные частицы, атомы одного вида абсолютно одинаковые. Поэтому если атом в точке приема приобретает квантовое состояние, идентичное атому в точке передачи, то это эквивалентно созданию копии атома в точке приема. То есть если перенести квантовое состояние всех атомов объекта, то в месте приема возникнет его идеальная копия.

"ДС" Как такую технологию можно использовать на практике?

Н.Ж. Ученые всех стран уже давно бьются над созданием полноценного оптического квантового компьютера, где носителями информации будут фотоны. Именно эффект квантовой телепортации — самый перспективный путь для разработки таких машин, скорость работы и уровень решения задач которых несопоставимо выше, чем у существующих. Кроме того, квантовые компьютеры будут реализовывать "холодные" вычисления, работая практически без затрат энергии.