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量子ネットワークとは何ですか？
量子ネットワークは、量子力学の法則に従って機能するデータ伝送システムです。 このようなネットワークでは、データはキュービットを使用して交換されます。 これらは、光通信チャネルを介して送信される偏光光子です。 インターネットのように地球全体をカバーするグローバルな量子ネットワークを展開するには、開発者と研究者は多くの困難を解決する必要があります。 たとえば、特定の難しさは、その「脆弱性」のために長距離にわたる光子の伝達です。 この問題やその他の問題については後で詳しく説明しますが、まず、なぜ量子ネットワークを作成する必要があるのかについて説明しましょう。
彼らはどのように役立つことができます
量子もつれの現象は、量子粒子の1つの特性を測定するときに、2番目の特性を自動的に認識するような方法で量子粒子をリンクします。 さらに、この接続は遠距離でも持続します。
2点間の接続を確立すると、その両端で乱数のシーケンスを生成できます。 暗号化では、この機能を使用して暗号化キーを生成します。
量子ネットワークのもう1つの利点は、放送光子を2回読み取ることができないことです。 量子力学の法則は、軽い粒子の状態の「クローニング」を禁止しています。 量子ビットを傍受すると 、その意味が変わります。 データ伝送チャネルを「盗聴」しようとすると、攻撃者は貴重な情報を抽出できません。 出力では、ランダムな数値セットを取得します。
したがって、量子ネットワークはほぼ絶対的な暗号保護です。 スウェーデンからの科学者が、そのようなネットワーク上で「盗聴」 することがまだ可能であることを証明したように、ほぼ絶対的です。 これを行うには、量子暗号をシミュレートします。 光子検出器は、ゼロと呼ばれる偏光されていない光の粒子を無視します。 特定の時点でこれらのゼロをシミュレートして受信機に送信すると、彼は信号量を考慮します（そうではありませんが）。
問題を解決できますが、受信者の原則を変更する必要があります。 1つのオプションは、信号強度のインジケータを追加することです（外部介入によって変化するため）。 しかし、これは量子ネットワークをスキャンするコストを増加させます。
なぜ難しいですか
量子通信の信頼性を高めるキュービットの「脆弱性」にも欠点があります。 単一光子は、状態が変化するか、干渉により媒質に吸収されます。 このため、100 kmを超える距離で光ファイバーケーブルを介して量子を伝送することは困難です。
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現在、ファイバー量子ネットワークはリピーターを使用して構築されています。 情報をデコードし、再度エンコードして、チェーン内の他のノードに送信します。 ただし、この方法では、仲介者もメッセージの内容を検出するため、メッセージの1つが侵害された場合にリークにつながる可能性があります。 コストに問題があります-そのようなリピーターは高価な磁石と希少鉱物を使用します。
これらのネットワークが展開される環境を考慮することが重要です。 実験室の条件と「戦闘」条件の間には大きな違いがあります。 都市では、光ファイバケーブルは温度変化の影響を受けます。 これにより、光子の位相シフトが発生し、データ送信でエラーが発生する可能性があります。
長距離伝送の問題を解決するには、量子テレポーテーションが可能になります。 研究者は、オプションで2つのキュービットを量子エンタングルメントの状態に導入できます。 オランダのデルフト工科大学のプロジェクトがそのようなプロジェクトに従事しています。 研究者は、デルフトとハーグの間に10キロメートルの量子ネットワークを構築しています。
そのような技術はまだ開発の初期段階にあります。 事実は、環境が量子に及ぼす破壊的な効果（ デコヒーレンスと呼ばれる）のために、「接続性」を長時間維持することは難しいということです。 量子エンタングルメントの状態を一瞬維持することが可能です。
量子ネットワークはどこで使えますか
すでに述べたように、量子ネットワークは盗聴に対して非常に抵抗力があります。 したがって、信頼できる暗号化キー配布システムを構築できます。 そのような技術はすでに存在します。 たとえば、年の初めに、中国はデータが衛星とレーザービームを介して送信される暗号化キー配布システムを開始しました 。 同様のシステムがドイツの研究者によって提案されました 。
また、量子ネットワークでは 、量子コンピューターをネットワークに統合する必要があります。 量子マシンのクラスターは、たとえば新薬を開発する際に物理的および化学的シミュレーションを加速することが期待されています。
投票など、科学以外のユーザーケースもあります。 このようなプロジェクトはスイスで実施されました-数年前、CERN は選挙のための量子ネットワークの組織化を支援しました。 ハーバードスミスソニアン天体物理学センターの専門家によると、信頼性に加えて、量子ネットワークにより、現在利用できない新しい戦略的投票スキームを実装することが可能になります。 たとえば、人々は1人の候補者ではなく、一度に2人の候補者を選択できます（2番目のオプション）。
量子ネットワークの開発には、多くの機関や組織が関与しています。 したがって、最近、そのようなプロジェクトが増えています。 Habréの次の資料では、この分野における外国およびロシアの開発について説明します。
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