Измерение и шифрование сетей

СТАТЬЯавг. 23, 2022

Следующая остановка: новое поколение

Как контрольно-измерительное оборудование и алгоритмы шифрования сетей открывают новые возможности для применения квантовых технологий

Общественные и частные организации инвестируют миллиарды долларов в развитие квантовых технологий. С завидной регулярностью в СМИ появляются сообщения о достижении нового рубежа в развитии. Не за горами реализация кажущихся утопическими приложений в области датчиков, вычислений и связи. Прецизионное контрольно-измерительное оборудование Rohde & Schwarz для научно-исследовательских, промышленных и общественных организаций позволяет проводить специальные испытания в отдельных квантовых системах. А наши эксперты по шифрованию предлагают разрабатываемые в лабораториях технологии защищенной связи на квантовой основе для решения конкретных задач.

На фото: Пин Лоук

«Квантовые вычисления, квантовые датчики и квантовая связь — все три технологии имеют революционный потенциал».

Пин Лоук (Ping Loke), исполнительный вице-президент по НИОКР

Объемы инвестиций говорят сами за себя — за квантовыми технологиями скрывается огромный инновационный потенциал. В дополнение к международным вложениям крупнейших инвестиционных венчурных фондов, в национальные и транснациональные исследовательские фонды также поступают миллиарды из общественных средств.

Например, Федеральное министерство образования и научных исследований Германии создало фонд по квантовым технологиям в размере 2,6 миллиардов евро. Инициатива Quantum Flagship от Европейского Союза имеет бюджет как минимум в 1 миллиард евро, а в распоряжении Национальной квантовой инициативы США имеются 2 миллиарда долларов.

"За последние два десятилетия исследования совершили стремительный рост. Сейчас в центре внимания находится второе поколение квантовых технологий."
Пин Лоук, исполнительный вице-президент, НИОКР

Квантовые эффекты стали частью нашей повседневной жизни. Например, современные смартфоны содержат сотни миллиардов транзисторов, преимущественно в виде чипов флэш-памяти. Предназначенные для управления током и напряжением, они работают на основе квантовых механических свойств полупроводников. В первом поколении используются преимущества естественных квантовых эффектов. В отличие от этого, второе поколение квантовых технологий основано на создании и управлении индивидуальными квантовыми состояниями.

Квантовые технологии 2.0: что нас ждет?

Индивидуальная медицина

Индивидуальная медицина

Индивидуальная медицина: все мы такие разные, а значит, и наши болезни. Например, раковые клетки различаются для каждого организма и зачастую мутируют со временем. Эти различия и изменения уже имеют множество научных подтверждений, что привело к созданию огромного количества данных. Термин «большие данные» у всех на устах. Однако обычные компьютеры не способны обеспечить быстрый и эффективный анализ этих данных в целях создания индивидуальных видов лечения.

Модернизация цепочек поставок

Модернизация цепочек поставок

Модернизация цепочек поставок: международные потоки товаров достигают самые удаленные точки света, и любой товар становится доступным одним нажатием кнопки мыши, будь то новый планшет для домашнего пользования или подарки для корпоративного праздника. Однако за кулисами всего этого скрывается сложная логистическая инфраструктура, состоящая из производителей, поставщиков услуг, поставщиков товаров, распространителей, транспортных компаний, курьерских служб и прочих участников. Даже минимальные перегрузки контейнерного терминала или изменения цен на готовые изделия означают необходимость в поиске альтернативы — и желательно в режиме реального времени. Сложность этой задачи также превышает возможности обычных компьютеров.

Квантовая физика для защищенной связи

Квантовая физика для защищенной связи

Квантовая физика для защищенной связи: будь то фотографии из отпуска или предложения о разработке новой продукции — все данные в нашей личной и профессиональной жизни и каналы их передачи нуждаются в защите. На сегодняшний день кибератаки и их последствия представляют собой главную угрозу для многих компаний. Разработки в сфере квантовых вычислений наглядно демонстрируют пределы возможностей стандартных технологий шифрования. Инновации в квантовых вычислениях становятся залогом будущего, поскольку они позволяют надежно распознавать случаи несанкционированного доступа. Это означает, что вы можете создать действительно защищенный канал для передачи конфиденциальных данных.

Быстрые. Еще быстрее. Квантовые вычисления.

Нашим миром управляет двоичный код. Обычные компьютеры обрабатывают данные в виде последовательностей из единиц и нолей, что соответствует наличию или отсутствию тока. Это применимо ко всему — от простого редактирования текстов до виртуальной реальности в метавселенной. Однако мир, в котором мы живем и работаем, становится всё сложнее и сложнее. Количество обрабатываемых данных стремительно растет. В период с 2012 по 2020 год объем генерируемых за год цифровых данных увеличился на порядок и дополнительно возрастет в три раза к 2025 году. Прогнозируемое количество данных превышает 180 зеттабайт или 180 триллионов гигабайт.

В связи с этим обычные компьютеры сталкиваются с двумя непреодолимыми препятствиями — время и сложность. Чем больше объем данных, тем больше времени требуется для их последовательной обработки. Чем сложнее проблема, тем ниже вероятность, что двоичный код с его двумя состояниями будет способен эффективно рассчитать решение. Квантовые компьютеры открывают путь к преодолению обеих проблем благодаря применению открытий из современной физики.

Some like it cold

Некоторые любят похолоднее

Институт Вальтера Мейснера по исследованию низких температур (WMI) входит в состав Баварской академии наук. Здесь проводятся фундаментальные и прикладные исследования в области физики низких и сверхнизких температур. Квантовые вычисления являются одним из направлений исследований, при этом для управления системами применяется контрольно-измерительное оборудование Rohde & Schwarz и ее дочерней компании Zurich Instruments.

Рука об руку вместо или-или

По аналогии с обычными битами, квантовые биты (кубиты) образуют квантовые блоки механической памяти. Кроме единиц и нолей, они также допускают смешанные состояния. Это означает фундаментальный технологический переворот. Теперь возможна параллельная обработка стандартных последовательных методов вычислений, поэтому квантовый компьютер помогает значительно экономить время.

Но что важнее всего, новый квантовый механический подход позволяет обрабатывать новые и намного более сложные задачи. При этом нет необходимости в выборе только обычных или только квантовых вычислений. Имеющиеся и квантовые системы комбинируются в зависимости от решаемой задачи.

При взгляде на цели исследований становится очевидно, какой огромный объем работы предстоит проделать в прикладных исследованиях. Например, проблема сворачивания белка имеет огромную важность и поэтому находится в центре внимания ученых. Найдя ее решение, мы сможем предсказывать трехмерную структуру белков на основе их первичной аминокислотной последовательности. На это направление исследования возлагаются большие надежды, так как оно поможет нам в эффективной разработке индивидуальных лекарственных препаратов.

Физика против логики

В квантовом мире частица может одновременно находиться в двух местах. Ее местоположение можно определить только в момент наблюдения, например, путем измерения частицы. Другими словами, когда частица не видна, она имеет неопределенное местоположение. Это необычное свойство объясняет крайнюю неустойчивость частиц. Вместо использования отдельных физических кубитов, которые могут быть подвержены ошибкам, кубиты объединяются в логический кубит. При этом сложность заключается в том, что для ответа на практические вопросы, такие как сворачивание белков, требуются квантовые системы, состоящие из миллиона логических кубитов. Логический кубит может содержать до 100 физических кубитов, однако в настоящее время возможна обработка максимум 127 физических кубитов.

На фото: Садик Хафизович

«Мы должны помочь в создании квантового компьютера».

Д-р Садик Хафизович (Sadik Hafizovic), генеральный директор и основатель Zurich Instruments, дочерней компании Rohde & Schwarz

Компания Zurich Instruments не так давно вошла в состав семейства Rohde & Schwarz. Рынок контрольно-измерительного оборудования для квантовых вычислений таит в себе огромный потенциал для обеих компаний. Для эксплуатации и технического обслуживания квантовых компьютеров требуется широкий спектр специального контрольно-измерительного оборудования, так как для эффективного создания и регистрации квантовых состояний необходима сверхвысокая точность генерирования и измерения ВЧ-сигналов. Системы управления квантовыми компьютерами входят в ассортимент продукции компании.

"Научно-исследовательские лаборатории и промышленные партнеры выбирают наше контрольно-измерительное оборудование для идеального управления своими квантовыми компьютерами. Мы способствуем продвижению инноваций, поскольку исследователям квантовых технологий не приходится тратить время на разработку собственных приборов."
Садик Хафизович, генеральный директор и основатель Zurich Instruments, дочерней компании Rohde & Schwarz

Безопасность. Больше безопасности. Квантовая связь

Квантовые компьютеры раздвигают границы возможного в обработке данных. Однако это также несет с собой новые задачи, включая защищенную связь. Ящик Пандоры начал открываться в начале 1990-х годов с появлением первых алгоритмов, способных превзойти традиционные алгоритмы шифрования при использовании высокоэффективных квантовых компьютеров.

С тех пор на первый план вышли новые методы шифрования. Здесь существуют два основных подхода. Первый подход — постквантовая криптография, которая использует обычные методы шифрования, но с существенной разницей в том, что они без труда переносят атаки от квантовых компьютеров. Используемые в этом подходе алгоритмы основаны на теоретических предположениях, для которых в настоящее время отсутствуют известные атаки с применением обычных или квантовых компьютеров.

На фото: д-р Фальк Германн

«Защищенные сети связи стали критически важной инфраструктурой в современном информационном обществе».

Д-р Фальк Германн (Falk Herrmann), генеральный директор Rohde & Schwarz Cybersecurity

Второй подход носит название «Квантовое распределение ключей» (QKD). Федеральное ведомство Германии по информационной безопасности (BSI) и Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) вносят наиболее значительный вклад в развитие данного направления. По мере роста цифровизации частные потребители, а особенно правительственные организации все больше нуждаются в гарантии информационной безопасности.

Эти инновационные решения выводят в центр внимания аспекты криптографии. Традиционные методы и более современные постквантовые алгоритмы основаны на математических предположениях, т. е. на идее, что определенные задачи не могут быть рассчитаны с достаточной эффективностью. В отличие от этого, квантовое распределение ключей основано на физических принципах.

Надежное распределение симметричных ключей

Цель заключается в надежном распределении симметричных ключей. Для этого миллионы отдельных фотонов (частиц света) передаются через оптический канал связи, например, волоконно-оптический кабель. Каждый фотон имеет собственное произвольное квантовое состояние. Любая попытка считывания или копирования фотонов приводит к изменению состояния. Возможно надежное обнаружение изменений состояния, поскольку протоколы квантового распределения ключей работают таким образом, что любая попытка наблюдения за фотонами извне приводит к прерыванию передачи, и каждое прерывание регистрируется.

Первые устройства QKD были изначально разработаны физиками, а в последние годы ведется работа над созданием коммерческих решений. Подразделение Rohde & Schwarz Cybersecurity обладает огромным опытом в разработке и реализации защищенных устройств и систем во многочисленных исследовательских проектах.

"На основе наших знаний и опыта мы помогаем вывести технологии квантовой связи за пределы лабораторий и внедрять их в прикладных решениях."
Фальк Германн, генеральный директор Rohde & Schwarz Cybersecurity

Инновации за счет сотрудничества

Наряду с разработкой технологий для нас важно взаимодействие с заказчиками и участие в исследовательских группах и промышленных ассоциациях. Компания Rohde & Schwarz с самого начала входит в состав множества растущих объединений. Вот лишь некоторые примеры:

Munich Quantum Valley

Мюнхенская квантовая долина (MQV) — это инициатива по продвижению квантовых наук и технологий в Баварии, которая финансируется Федеральным министерством образования и научных исследований Германии. В рамках проекта планируется создать демонстрационный макет, состоящий из до 100 кубитов. Компания Zurich Instruments отвечает за создание новой схемы считывания с высоким качеством воспроизведения для трехмерных кубитов, а также за автоматизацию процедур калибровки квантовых процессоров. В число партнеров входят Институт Вальтера Мейснера, Мюнхенский технический университет, Научно-исследовательский институт по микросистемам и твердотельным технологиям при Обществе Фраунгофера, Infineon, Kiutra, Parity Quantum Computing Deutschland и IQM Deutschland.

https://www.munich-quantum-valley.de/

QSolid

Цель проекта заключается в создании демонстрационного макета сверхпроводникового квантового компьютера с несколькими поколениями процессоров, имеющими различные рабочие параметры, габариты, степени точности и области применения. Компания Zurich Instruments отвечает за интеграцию системы управления квантовым компьютером в квантовый комплекс, а также за оптимизацию протоколов передачи данных с широкой полосой пропускания. В число основных отраслевых партнеров входят Parity Quantum Computing Deutschland, HQS Quantum Simulations, Rosenberger Hochfrequenztechnik, IQM Deutschland, Supracon, Racyics, AdMOS, LPKF Laser & Electronics, Partec, Atotech и Atos Information Technology.

https://www.q-solid.de/

OpenSuperQ

Данный проект является частью инициативы Quantum Flagship — крупнейшего и наиболее амбициозного научно-исследовательского проекта в Европейском Союзе. В рамках проекта OpenSuperQ планируется спроектировать, создать и запустить квантовую систему обработки данных, состоящую из до 100 кубитов. Централизованная система должна быть постоянно доступной для внешних пользователей. Компания Zurich Instruments отвечает за все электронные приборы для комнатной температуры, а также за измерения и программное обеспечение для управления многокубитной системой. Основные партнеры: Юлихский исследовательский центр, Швейцарская высшая техническая школа Цюриха и Технический университет Чалмерса в Гётеборге.

https://opensuperq.eu/

Криптографическая библиотека Botan для долгосрочной безопасности

Подразделение Rohde & Schwarz Cybersecurity совместно с Институтом прикладных и встроенных систем безопасности (AISEC) при Обществе Фраунгофера, Берлинским техническим университетом и компанией neXenio вносит в библиотеку новые криптоалгоритмы, способные противостоять атакам от квантовых компьютеров.

https://botan.randombit.net/

OpenQKD

Европейский Союз организовал консорциум по QKD, в который входят около 40 партнеров из 13 стран. Цель проекта заключается в создании инфраструктуры для сетей испытаний и связи, помогающих реализовать квантовое распределение ключей на практике. Европейская инфраструктура для квантовой связи (EuroQCI) будет развиваться в дальнейших проектах.

https://openqkd.eu/

DemoQuanDT

Проект под эгидой Федерального министерства образования и научных исследований Германии посвящен исследованиям, разработкам и демонстрации надежной системы управления сетью QKD в рамках телекоммуникационной инфраструктуры. В ходе проекта между Берлином и Бонном будет проложена тестовая линия квантовой связи, которая будет служить демонстрационным макетом. Участники проекта намерены создать самую протяженную квантовую сеть в Германии.

https://www.forschung-it-sicherheit-kommunikationssysteme.de/projekte/demoquandt

Quarate

Проект Quarate финансируется Федеральным министерством образования и научных исследований Германии. Цель проекта заключается в расширении границ традиционных радиолокационных технологий за счет применения квантовых микроволн и современных методов корреляции для улучшения сбора данных. В число партнеров входят Немецкий авиационно-космический центр (DLR), Мюнхенский технический университет (TUM) и Институт Вальтера Мейснера по исследованию низких температур (WMI).

https://www.quantentechnologien.de/forschung/foerderung/anwendungsbezogene-forschung-in-der-quantensensorik-metrologie-sowie-bildgebung/quarate.html