XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

Введение 

С ростом киберугроз и объемов передаваемых данных традиционные методы защиты информации оказываются уязвимыми. На этом фоне квантовые сети становятся перспективным решением благодаря способности обеспечивать абсолютную безопасность данных через квантовую криптографию. В данной статье мы рассмотрим ключевые аспекты квантовых сетей, такие как линии квантовой связи, межконтинентальная спутниковая квантовая сеть и применение квантового телефона, и проиллюстрируем их практическое применение.

Линии квантовой связи

Линии квантовой связи обеспечивают безопасный обмен информацией между двумя или более пунктами посредством квантовой криптографии. Как это работает:

- Квантовые ключи передаются через оптоволоконные кабели или спутники.

- Используются фотоны (частицы света), которые передают информацию в состоянии суперпозиции (0 и 1 одновременно). Это делает невозможным перехват без изменения данных. [1,2]

Пример:

В крупной финансовой компании аналитики ежедневно передают критически важные данные между офисами в разных городах. Использование квантовых каналов гарантирует, что ни один злоумышленник не сможет незаметно перехватить их переговоры. Один из сотрудников заметил странное изменение в параметрах линии — это оказалось попыткой вмешательства. Благодаря квантовым технологиям передача была мгновенно остановлена, и данные остались в безопасности.

Межконтинентальная спутниковая квантовая сеть

Межконтинентальная спутниковая квантовая сеть — это глобальная инфраструктура, в которой спутники играют ключевую роль в передаче квантовых данных между отдаленными точками на Земле. Спутниковая сеть уже используется для безопасного обмена научными данными между исследовательскими институтами. Китай в 2017 году провел успешный эксперимент по обмену ключами через спутник на расстоянии свыше 1200 км

Особенности:

- Использование спутников для QKD: Спутники передают квантово запутанные фотоны между наземными станциями. Пример — китайский спутник «Мо-цзы», который впервые обеспечил передачу квантовой информации между Европой и Азией на расстоянии более 7600 км.[3,4]

- Преодоление ограничений оптических кабелей: На больших расстояниях сигналы через кабели теряют энергию, а спутники могут покрывать тысячи километров с меньшими потерями.

Пример:

Научная команда из разных стран совместно разрабатывает лекарство от редкого заболевания. Им необходимо ежедневно синхронизировать данные экспериментов. Спутниковая квантовая сеть позволяет ученым безопасно обмениваться информацией, исключая риски промышленного шпионажа и кибератак, даже если их лаборатории разделяют тысячи километров.

Квантовый телефон

Квантовый телефон — это устройство, использующее квантовую криптографию для обеспечения полной конфиденциальности связи. Его работа основана на квантовом распределении ключей (QKD, Quantum Key Distribution), которое позволяет сторонам обмениваться уникальными шифровальными ключами, защищенными законами квантовой механики. [5,6]

Принцип работы:

1. Устройство генерирует и передает квантовые ключи через оптический или спутниковый канал связи.

2. Любая попытка перехвата ключа изменяет его состояние, что сразу фиксируется.

3. После обмена ключами дальнейшая связь (голос, текст, файлы) шифруется с помощью симметричного алгоритма, использующего полученные ключи.

Пример:

Дипломат в условиях международного кризиса проводит переговоры с коллегами из другой страны. Ситуация требует полной конфиденциальности, и использование квантового телефона позволяет исключить даже минимальные риски утечки информации. Во время звонка ему удается договориться об условиях перемирия, зная, что связь защищена на физическом уровне.

Известные личности, внесшие вклад:

1. Чарльз Беннетт и Жиль Брассар — создатели протокола BB84, первого практического протокола квантового распределения ключей. Их работа заложила основу для квантовой криптографии.

2. Антон Цайлингер — австрийский физик, лауреат Нобелевской премии по физике 2022 года за эксперименты в области квантовой запутанности, что стало основой для создания квантовых сетей.

3. Джон Клаузер и Ален Аспе — исследователи квантовой механики, чьи эксперименты с неравенством Белла подтвердили квантовую природу взаимодействий, необходимых для квантовых коммуникаций.

4. Пан Цзяньвэй — китайский физик, известный как «отец китайской квантовой спутниковой сети». Его команда создала первый в мире спутник для квантовой коммуникации — «Мо-цзы».

Заключение

Квантовые сети уже сейчас трансформируют способы передачи информации, предлагая уровень защиты, недостижимый для классических технологий. Линии квантовой связи, спутниковые сети и квантовые телефоны — это лишь первые шаги к новому уровню безопасности и конфиденциальности данных, который определит цифровое будущее. [7,8]

Список литературы:

1. Bennett, C. H., & Brassard, G. (1984). Квантовая криптография: распределение открытого ключа и подбрасывание монеты. Труды Международной конференции IEEE по компьютерам, системам и обработке сигналов.

2. Nielsen, M. A., & Chuang, I. L. (2010). Квантовые вычисления и квантовая информация. Cambridge University Press.

3. Gisin, N., Ribordy, G., Tittel, W., & Zbinden, H. (2002). Квантовая криптография. Reviews of Modern Physics, 74(1), 145–195.

4. Zeilinger, A. (2010). Танец фотонов: от Эйнштейна до квантовой телепортации. Farrar, Straus and Giroux.

5. Пан, Дж.-В. и др. (2017). Распределение запутанности на основе спутников на расстоянии 1200 километров. Science, 356(6343), 1140–1144.

6. Скарани В. и др. (2009). Безопасность практического распределения квантовых ключей.(https://core.ac.uk).

7. Инь Дж. и др. (2017). Распределение запутывания по спутниковым данным на расстояние более 1200 километров. (https://www.nature.com).

8. Глущенко А.Г. (2022). Физика [Электронный ресурс]. (http://elib.psuti.ru/Glushchenko_Glushchenko_fizika_uchebnik_2022.pdf)