Квантовые технологии продолжают быстро развиваться и уже сегодня начинают изменять подходы к обеспечению безопасности информационных систем. Одним из наиболее значимых достижений последних лет стало успешное прохождение квантовых данных на расстояние 254 километров по стандартным оптическим волокнам телекоммуникационной инфраструктуры. Этот прорыв осуществлен учеными и инженерами в Германии, которые использовали коммерческие сети и продемонстрировали возможность внедрения квантовых криптографических технологий без необходимости в дорогом и специализированном оборудовании. Квантовая связь основана на уникальных свойствах квантовой физики — способности квантовых состояний сохранять информацию в виде квантовых бит, или кубитов, и на том, что любое измерение этих состояний приводит к их изменению. Это позволяет обнаруживать попытки перехвата и значительно повышает уровень защиты передаваемой информации.
Традиционно для установления безопасного канала связи применяется метод квантового распределения ключей (Quantum Key Distribution, QKD), благодаря которому две стороны могут совместно создавать и обмениваться секретными ключами шифрования с гарантией отсутствия подслушивания. Исследования и внедрение QKD ранее часто сопровождались необходимостью использования специализированных устройств, таких как сверхпроводящие детекторы на основе нанопроводов, требующие сложного охлаждения до криогенных температур, а также ультрастабильных лазеров и оптических систем для синхронизации фаз световых сигналов. Все это значительно усложняло и удорожало технологии, делая их непрактичными для широкого применения в коммерческих телекоммуникационных сетях. Новый проект, реализованный командой исследователей при участии компании Toshiba, продемонстрировал, что квантовую связь можно масштабировать и внедрять практически без использования таких дорогостоящих компонентов. В рамках эксперимента квантовые сообщения передавались между городами Франкфурт и Кель на юге Германии, при этом промежуточным узлом выступал район Кирхфельд.
При этом оптические волокна использовались те же, что работают в существующей телекоммуникационной сети страны. Одним из ключевых нововведений стало применение лазеров на центральном узле Кирхфельд, которые создавали общую частоту-эталон для передающих станций. Такой подход позволил избежать необходимости в специализированных ультраустойчивых лазерах на других концах линии и существенно снизил шумовые помехи в пределах распространения квантового сигнала. Вместо сложных и чувствительных сверхпроводящих фотодетекторов ученые использовали более экономичные полупроводниковые лавинные фотодиоды. Несмотря на то, что по эффективности они уступают своим криогенным аналогам и имеют большую вероятность ложных срабатываний, применение двойного набора таких детекторов — один для анализа квантового сигнала, другой для контроля опорного лазера — дало возможность компенсировать помехи, вызванные температурными колебаниями, вибрациями и прочими внешними факторами.
Таким образом удалось добиться стабильной работы системы на расстоянии свыше 250 километров с передачей секретных ключей шифрования. Текущая скорость передачи составляет около 110 бит в секунду, что, по словам исследователей, достаточно для периодического обновления ключей в классических системах симметричного шифрования, однако представляется возможным ее повышение за счет увеличения частоты кодирования в границах одного-нескольких гигагерц. Дальнейшим направлением является разработка квантовых ретрансляторов — устройств, способных значительно увеличить расстояния и производительность квантовых каналов связи. В отличие от традиционных усилителей, которые не могут быть применены к квантовым состояниям из-за принципов квантовой механики, ретрансляторы способны повторять и восстанавливать квантовую информацию без ее разрушения. Открытия подчеркивают, что реализация квантовых сетей на базе существующей телекоммуникационной инфраструктуры становится не только теоретической возможностью, но и практической реальностью.
Это открывает новые горизонты для компаний и государственных структур, заинтересованных в защите корпоративных и государственных данных с использованием передовых технологий. Экономия, связанная с отказом от специализированного криогенного оборудования и ультрастабильной аппаратуры, делает квантовую криптографию привлекательным решением для телеком-операторов и поставщиков услуг связи. По оценкам экспертов, рынок квантового распределения ключей к 2035 году может достигнуть около 20 миллиардов долларов, что говорит о высокой коммерческой ценности технологии. Внедрение квантовых коммуникаций с помощью классических оптических сетей является важным шагом в создании глобального квантового интернета, который позволит не только передавать защищенные сообщения, но и обеспечивать работу квантовых компьютеров и сенсоров, объединяя их в мощную вычислительную и информационную среду. Помимо безопасности, это также позволит получать качественно новые возможности в таких сферах, как медицина, финансовые технологии, оборона и наука.
