Kvantu tīkls

Kvantu tīkls jeb kvantu internets ir tehnoloģija, kas izmanto kvantu fizikas principus, lai nodrošinātu informācijas pārsūtīšanu un sakaru drošību. Šis tīkls izmanto fotonu kvantu īpašības, lai pārsūtītu informāciju no vienas vietas uz citu, izmantojot unikālas kvantu parādības, piemēram, superpozīciju, neklonēšanu un sapīšanos. Kvantu internets var darboties, izmantojot kvantu kubitus, kas ļauj izveidot neuzlaužamus komunikācijas kanālus starp punktiem, pat ja starp tiem ir starpposms. Šī tehnoloģija nodrošina pilnīgu datu aizsardzību un komunikācijas drošību.

Kvantu tehnoloģijas pamatā ir atomu, fotonu un elektronu īpašību izmantošana, lai radītu jaunus veidus, kā apstrādāt informāciju. Kvantu internets, savukārt, ir atkarīgs no fotoniem un solās pārveidot informācijas apmaiņu. Tās lielākās priekšrocības ietver drošības uzlabošanu un jaunāko ierīču un sensoru savienošanu, kas varētu radīt inovatīvas lietojumprogrammas un pakalpojumus.

 Attīstība 
2008. gadā tika palaists pirmais kvantu šifrēts tīkls. Palaistais tīkls sastāv no sešām sistēmām, kas savienotas ar astoņiem starpposmiem, izmantojot optiskos kabeļus, kas strāvo apkārt Vīnei 200 km garumā. Šis projekts ir īpaši nozīmīgs, ņemot vērā pastāvošos riskus un spiegošanas apdraudējumus, ko rada elektronisko komunikāciju signālu pārķeršanas un analīzes tīkli. Eiropas Savienības investīciju projekti šajā jomā, kas sasniedz vairāk nekā 11 miljonus eiro, liecina par nopietnu apņemšanos novērst šādu spiegošanu un nodrošināt Eiropas uzņēmumiem ekonomiskās priekšrocības. Kvantu šifrēšanas sistēma balstās uz Heizenberga nenoteiktības principu, kas nodrošina, ka kvantu informāciju nav iespējams nolasīt bez tās iztraucēšanas. Tas nozīmē, ka jebkurš mēģinājums mainīt vai piekļūt datiem uzreiz tiks atpazīts, un tīkls tiks slēgts, lai novērstu jebkādu nepilnību vai kiberuzbrukumu.

ASV Enerģētikas departaments ir izstrādājis "nacionālā kvantu interneta" prototipa stratēģiju un atvēlējis tam ievērojamu finansējumu — 1.3 miljardu ASV dolāru. Sarīkojot tikšanos Čikāgā, ASV amatpersonas un zinātnieki izvirzīja pirmās nostādnes šī projekta realizācijai. Plānots, ka kvantu internets darbotos līdzās esošajiem tīkliem, izmantojot kvantu mehānikas likumus. Šāda interneta lielākās priekšrocības esot būtiski drošāka informācijas apmaiņa, kā arī iespēja savienot jaunākās paaudzes ierīces un sensorus. Lai sasniegtu kvantu interneta mērķus, ir nepieciešamas jaudīgākas ierīces ar papildu funkcionalitāti, kas atbilst noteiktiem uzticamības, mērogojamības un uzturēšanas parametriem. Galvenajās tīkla ierīcēs ir plānots integrēt kvantu atmiņu ar efektīvu optisko saskarni un vairākas citu komponentes, kas būs būtiskas kvantu tīklu darbībai.

Losalamosas Nacionālā laboratorija, kas atrodas Ņūmeksikas štatā ASV, ir viens no vadošajiem pētniecības centriem kodolenerģētikas jomā. Tomēr, šā tīkla trūkums ir tā ierobežotā iespēja pārsūtīt informāciju tikai vienā noteiktā maršrutā, nevis vairākos. Šī problēma ir stimulējusi vairāku pētnieku grupu centienus atrast risinājumu. Speciālisti apgalvo, ka viņi ir panākuši ievērojamu progresu, izstrādājot un pētot jaunu kvantu tīkla arhitektūru. Šī jaunā arhitektūra ietver centrālo mezglu vai komutatoru, kas spēj apstrādāt un pārvērst fotonu signālus par elektriskiem signāliem un otrādi. Šī inovācija ļauj droši pārraidīt informāciju vairākos maršrutos, nodrošinot augstu drošības līmeni. Projekta vadītājs Ričards Hjūzs norāda, ka viens no galvenajiem turpmākajiem uzdevumiem ir samazināt centrālā mezgla komponentes izmērus, lai to varētu integrēt datoros, maršrutētājos un citās ierīcēs, kas savienotas ar optiskām šķiedras kabeļiem.

Kvantu tīkls tiek īstenots Eiropas Augstas veiktspējas datošanas kopuzņēmuma (EuroHPC) vadībā, lai izveidotu un nodrošinātu kvantu datoru infrastruktūru Eiropas Savienībā. Šis projekts tika oficiāli paziņots ar sešu Eiropas valstu — Itālijas, Polijas, Spānijas, Francijas, Vācijas un Čehijas — līgumu parakstīšanu. Šo līgumu ceremonija notika Luksemburgā EuroHPC telpās, piedaloties uzņemošo organizāciju un Eiropas Komisijas pārstāvjiem. Šie pirmie Eiropas kvantu datori, paredzams, sāks darboties līdz 2025. gadam, un tie ir domāti, lai nodrošinātu augstu un energoefektīvu skaitļošanas veiktspēju, kas pārsniedz pašreizējo superdatoru spējas. Kopuzņēmuma mērķis ir izveidot kvantu datošanas un superdatošanas infrastruktūru, kas spēj veikt sarežģītus uzdevumus, piemēram, simulēt cilvēka ķermeni medicīnas pētījumos, modelēt ķīmiskās reakcijas materiālu zinātnē un pārvaldīt atjaunojamos enerģijas resursus.

 Latvijā 
Latvijas Universitātes Fizikas, matemātikas un optometrijas fakultātes profesors Vjačeslavs Kaščejevs uzsver, ka kvantu tīkls Latvijā varētu nodrošināt neuzlaužamu komunikāciju un būtiski palielināt datu drošību dažādās jomās.

2023. gada 28. septembrī LMT ar LU MII un "MikroTik", pirmo reizi izmēģināja ar kvantu tehnoloģijām šifrētu datu pārraidi. Šīs iniciatīvas mērķis ir izpētīt un attīstīt kvantu tehnoloģijas, lai nodrošinātu drošu datu pārraidi un komunikāciju. Pirmie testi jau ir notikuši 2019. gadā, kur LU MII zinātnieki pārraida ar kvantu tehnoloģijām šifrētu informāciju LMT tīklā, kvantu atslēgām sinhronizējoties ar ātrumu ap 2000 b/s. Tas iezīmē būtisku soli pretī nākotnes kiberdrošības risinājumiem. Latvijā notiek gan kvantu programmatūras un algoritmu izstrāde, gan aparatūras izstrāde, tostarp nanoelektronikas un fotonikas sensori un kvantu ierīces.

 EuroQCI 
2021. gada 11. februārī Latvija pievienojās Kvantu sakaru infrastruktūras (EuroQCI) sadarbības deklarācijai. Tās mērķis ir veidot ES dalībvalstu sadarbību un veicināt drošu kvantu sakaru infrastruktūras pieejamību Eiropas Savienībā, kas paredz palielināt zinātniskās un tehnoloģiskās iespējas, kā arī kvantu tehnoloģiju un ražošanas konkurētspēju, stiprinātu kiberdrošību un veicinātu ES stratēģisko autonomiju. Šo projektu īsteno VAS "Latvijas Valsts radio un televīzijas centrs" (LVRTC) sadarbībā ar SIA "TET", VAS "Elektroniskie sakari" (VAS ES) un Latvijas Universitātes Matemātikas un informātikas institūtu (LU MII), kur LVRTC darbojas kā projekta vadošais partneris un koordinators.

Šī iniciatīva paredz izveidot darbībspējīgu kvantu atslēgu šifrēšanas (QKD) tīklu, kas savienos trīs projektā iesaistītos partnerus un ļaus izmantot šīs tehnoloģijas un integrēt tās esošajā infrastruktūrā. Tas arī uzlabos zināšanas šajā jomā un veicinās jaunu pakalpojumu attīstību. Šis projekts savieno valsts pārvaldi, akadēmisko sektoru un komercsektoru, lai izveidotu nacionāla līmeņa kvantu komunikācijas infrastruktūru un veicinātu kompetences attīstību šajā jomā. Tas stiprina kibervides aizsardzību sensitīvo datu apritē un veicina tehnoloģisko izcilību.

Projekta sākumā LVRTC un LU MII veica apjomīgu kvantu atslēgu sadales (QKD) tehnoloģijas testu Latvijā, kas tika veikts vairāk nekā 33 kilometru garā datu pārraides tīklā. Šī tehnoloģija garantē, ka pārraidīto informāciju nevar atšifrēt pat ar kvantu datoriem. Testā izmantoja LVRTC optisko tīklu un jaunākā datu centra skaitļošanas jaudu, un tika sasniegts Latvijas vēsturē lielākais atslēgu sadales ātrums, kas atbilst maksimālajai šifrēšanas jaudai. LVRTC ir nozīmīgs IKT pakalpojumu sniedzējs valstij, un šis projekts plāno ieviest kvantu atslēgu šifrēšanas iekārtas vairākos svarīgos LVRTC optiskā tīkla posmos, nodrošinot nākamā līmeņa drošību datu pārraidei. LU MII pētnieki intensīvi strādā pie jaunu datu kodēšanas algoritmu izstrādes un kvantu fotonu plūsmu pētīšanas un pielāgošanas sakaru kanāliem. Šie centieni ir saistīti ar kriptogrāfijas metodēm un datu apmaiņas sistēmu risinājumiem, kas pamatojas uz kvantu mehānikas principiem.

SIA "TET" projektā piedalījās kvantu sakaru tīkla izstrādē, kas pētīs finanšu un veselības aprūpes nozares vajadzības, pārbaudot to pielietojumu ar kvantu sakariem. Tas apmācīs nozares speciālistus strādāt ar kvantu sakaru tehnoloģijām.

 "Eksperimentālās kvantu komunikācijas infrastruktūras attīstība Latvijā" 
2023. gada 1. janvārī tika uzsākts Nacionāla līmeņa kvantu komunikācijas infrastruktūras izveide Latvijā (LATQN) projekts, kas atrod savu izcelsmi Eiropas kvantu sakaru infrastruktūras iniciatīvā. Šis projekts tiek līdzfinansēts no Eiropas Savienības projekta "Eksperimentāla kvantu komunikācijas infrastruktūras izveide Latvijā". Projekta kopējās izmaksas sastāda 8 061 380 eiro, no kurām 50% no kopējām izmaksām tiek sniegtas kā Eiropas Savienības finansiālais atbalsts. Projekta aktivitātes ietver kvantu komunikācijas infrastruktūras izveidi un attīstību Latvijā, tostarp QKD tīkla izveidi, esošo sakaru tīklu integrāciju, drošu QKD starpsavienojumu izveidi, datu šifrēšanu veselības un finanšu sektoram, datu pārraides šifrēšanu ekstrēmos attālumos un izglītojošus seminārus dažādām mērķa grupām. Projekts iekļaujas Eiropas digitālās stratēģijas ietvaros. Tas veicinās Eiropas digitālo nākotni, nodrošinot kvantu sakaru infrastruktūras pieejamību un uzlabojot kiberdrošību. Projekts sniedz ieguldījumu programmas "Digitālā Eiropa" mērķu sasniegšanā, piedāvājot modernas kiberdrošības risinājumus un apmācību kvantu tehnoloģiju izmantošanā kiberdrošības jomā.

 «5G Techritory» 
2023. gada 20. oktobrī tika parakstīts memorands starptautiskā foruma «5G Techritory» ietvaros, kas savienoja vadošās Latvijas institūcijas, tostarp VAS «Latvijas Valsts radio un televīzijas centrs», VAS «Elektroniskie sakari», Rīgas Tehniskās universitātes (RTU), Latvijas Universitātes (LU), LU Cietvielu fizikas institūtu (CFI), SIA LMT, SIA TET, SIA «Mikrotīkls» un vairākas ministrijas. Šajā diskusijā tika izcelti dažādi kvantu tehnoloģiju attīstības aspekti, ieskaitot valstu kvantu skaitļošanas iniciatīvu (QCI) projektiem, esošos kvantiskas atslēgu sadales (QKD) izvietojumus un to praktiskos pielietojumus. Eksperti iepazinās ar jaunām tehnoloģijām, tostarp no mērīšanas ierīcēm neatkarīgu kvantisko atslēgu sadales (MDI-QKD) tehnoloģiju, un izpētīja veiksmes stāstus, kas rezultējuši no zinātnes un industriju sinerģijas.

Latvijā pašlaik tiek veidota kvantu tīklu infrastruktūra, kas tiks izmantota IKT nozares pārstāvjiem. Prognozēts, ka kvantu tīkls Latvijā būs pieejams gan publiskā sektora institūcijām, gan arī komersantiem un privātpersonām jau 2025. gadā. Vienlaikus tiek īstenots Nacionāla līmeņa kvantu komunikācijas infrastruktūras un tīklu izveides projekts, lai atbalstītu kvantu fizikas teoriju praktiskos pielietojumus. Lai nodrošinātu efektīvu koordināciju kvantu tehnoloģiju attīstības jomā, 2022. gadā tika izveidota Latvijas Kvantu iniciatīva, kas palīdz pārraudzīt ar kvantu tehnoloģijām saistītās aktivitātes, iesaistīties Eiropas kvantu tehnoloģiju sadarbības tīklos un pārstāvēt Latvijas interešu kvantu tehnoloģiju attīstībā.

 Atsauces 

Kategorija:Kvantu mehānika