Хотя в настоящее время можно отправлять зашифрованные сообщения с помощью таких приложений, как Signal, ни одна система не может быть полностью взломана. Но однажды шифрование может стать гораздо сложнее взломать - благодаря сетям, использующим преимущества квантовой механики, эзотерической ветви физики, которая управляет Вселенной в мельчайших масштабах.
Вы почти наверняка читаете эту статью на электронном устройстве, которое на самом базовом уровне работает с битами, построенными из кремниевых транзисторов. В неквантовом мире, который ученые называют "классическим", каждый из этих битов содержит одно число: ноль или единицу.
Квантовые устройства используют свои собственные квантовые биты, или "кубиты" (произносится как "Q-биты"), которые играют по правилам квантовой механики. Это позволяет кубитам действовать странным и удивительным образом. Например, кубиты могут одновременно хранить и ноль, и единицу.
Квантовая сеть может передавать эти диковинные кубиты: например, фотоны, которые ученые могут отправлять по волоконно-оптическим линиям, лежащим в основе классического интернета.
Эти сети, пока еще находящиеся на стадии эксперимента, служат для соединения квантовых устройств между собой. "Сейчас, когда квантовые компьютеры действительно начинают создаваться, люди начинают более серьезно думать о создании сетей", - говорит Кристоф Симон, исследователь, специализирующийся на квантовой оптике в Университете Калгари.
Создать квантовый компьютер уже сложно, а сделать квантовые компьютеры еще сложнее. Поэтому одним из способов увеличения вычислительной мощности может быть объединение нескольких квантовых компьютеров в сеть для создания одного "супер" квантового компьютера", - говорит Оливер Слэттери, физик из Национального института стандартов и технологий.
Но первоначальное (и самое известное) применение квантовых сетей - это создание связей, которые в теории гораздо более непостижимы, чем что-либо в крайне ненадежном классическом Интернете.
Эти сверхнадежные соединения используют принцип, называемый квантовой запутанностью. Проще говоря, вы можете создать частицы, которые "запутаны". Если вы будете наблюдать за состоянием одной из них, вы повлияете на состояние ее запутанного партнера, независимо от того, насколько далеко находится другая частица.
Вы можете использовать его для шифрования информации. Предположим, вы хотите отправить сообщение своему другу-шпиону из соседнего города. Вы оба получите по одному из пары запутанных фотонов. Измерение состояния этих фотонов даст вам и вашему коллеге уникальный ключ, который вы сможете использовать для шифрования сообщения, а ваш друг, в свою очередь, для его расшифровки.
Если кто-то попытается получить ключ, это действие повлияет на фотоны, и вы об этом узнаете. "Вы не можете подслушивать и проводить измерения на канале без того, чтобы люди могли это обнаружить", - говорит Натали де Леон, профессор электротехники и вычислительной техники Принстонского университета. "Также нельзя просто перехватить и скопировать информацию".
Вы не можете скопировать кубит благодаря другой квантовой причуде, называемой "принципом отсутствия клонирования". Но этот же принцип является фатальным недостатком квантовой сети. Если вы посылаете кбит по линии, то он может пройти только так далеко, прежде чем исчезнет. В классическом Интернете вы можете просто переслать эту информацию дальше. Но в квантовом мире это не пройдет, потому что вы не можете скопировать кубиты.
В результате нынешние квантовые сети могут передавать кубиты только на расстояние в несколько километров. Это означает, что если вы сейчас отправите кубиты по оптоволокну, вы не сможете сделать это в масштабах больше города.
"Возможность делать что-либо на больших расстояниях требует принципиально новых технологий, - говорит де Леон. Существуют короткие пути, но они не всегда безопасны. Они похожи на передачу сообщения через посредников, а посредникам не всегда можно доверять".
Можно также полностью обойтись без оптоволокна и отправить кубиты через то, что исследователи называют "свободным пространством" - буквально, через открытый воздух. Это как перебросить свет с одной горной вершины на другую. Вам нужно физически видеть другую сторону, что делает его непрактичным для большинства случаев. К тому же он подвержен атмосферным помехам.
Но он работает в вакууме космоса. Именно это позволило китайскому спутнику QUESS "телепортировать" орбиту с орбиты на землю в 2017 году. Это медленно и не особенно эффективно, но ученые, создавшие QUESS (и правительство Китая), надеются, что эта технология может стать основой для создания квантовой спутниковой сети.
Как бы ни было впечатляюще это достижение, де Леон говорит, что оно основывается на уже проделанной работе. "Это была очень важная демонстрация... и я думаю, что мы многому научились как сообщество", - говорит она. "Но все, что они сделали, можно было записать десять лет назад, пятнадцать лет назад".
Тем не менее, именно на это обращают внимание некоторые ученые, строя наземные станции для приема кубитов из космоса. QUESS скоро будет не один: Еще один спутник, QEYSSat, будет управляться рядом ученых из канадских институтов, включая Кристофа Саймона.
"Мы находимся в процессе определения того, что возможно и целесообразно", - говорит Саймон. "Честно говоря, мы думаем о следующем [спутнике]".
Могут ли все эти связи со временем превратиться в "квантовый интернет"? В конце концов, современный классический интернет начинался как сеть соединений, проложенных между лабораториями и университетами.
Прежде чем это произойдет, предстоит пройти немалое расстояние, и на этом пути придется преодолеть не одну техническую головоломку. Квантовые компьютеры должны работать при ультрахолодных температурах, например, едва выше абсолютного нуля. Но большинство волоконно-оптических кабелей не работают при ультрахолодных температурах. Поэтому любая связь между ними должна преодолевать разницу температур.
Но, возможно, самая большая проблема заключается в том, что никто не согласен с тем, из чего на самом деле строить квантовую сеть. Сегодняшние квантовые сети в основном используют относительно простое оборудование. Двигаясь вперед, ученые пытаются создать более сложные узлы, которые могли бы использовать квантовые хитрости, обойти принцип отсутствия клонирования и создать более длинные квантовые сети.
"Мы не... определили вещь, которая была бы похожа на транзистор на основе кремния", - говорит де Леон.
Некоторые исследователи хотят считывать кубиты, заключив их в ловушку из паров рубидия. Другие хотят сделать нечто подобное с помощью клетки из магнитов и лазеров. Группа Де Леона хочет использовать нечто (буквально) блестящее: алмазы. Тип несовершенства в алмазах, называемый "азотно-вакансионным центром", может действовать как своего рода квантовая память.
"Базовая единица все еще в цене, - говорит де Леон.
Пока такие фундаментальные вопросы не будут решены, квантовые сети, по большей части, останутся лабораторными. И какими бы любопытными ни были квантовые сети, вряд ли они смогут полностью заменить Интернет в ближайшее время.
"Почти наверняка классические сети должны будут работать параллельно с квантовыми, чтобы сделать их пригодными для практического использования", - говорит Слэттери.