Зачем Китаю квантовый спутник?

16 августа 2016 года Китай успешно запустил в космос первый в мире квантовый спутник.

Нет. Китайский спутник оснащен специальным оборудованием для проведения квантовых экспериментов: в том числе, квантовым излучателем и источником запутанных фотонов. Это оборудование будет использоваться для построения квантовой системы связи между спутником и двумя станциями на Земле.

Она нужна для другого. Квантовая система связи призвана не заменить обычные каналы передачи информации, а помочь защитить их — зашифровать. Спутник с помощью специального протокола квантового распределения ключей обеспечит наземные станции надежными одноразовыми паролями. Теоретически злоумышленник не сможет подсмотреть эти пароли, а значит и вскрыть зашифрованный канал связи между станциями.

Нет. Там все устроено немного сложнее. Спутник будет генерировать пары запутанных фотонов, каждая из станций будет получать по одному фотону из пары и проводить замеры. Вообще фотоны можно измерять несколькими способами, но каждый конкретный запутанный фотон — только одним, так как после измерения он поменяет свои свойства и перестанет быть запутанным. Станции принципиально заранее не договариваются между собой о том, каким образом они будут измерять фотоны, каждый раз делая случайный выбор и записывая результаты. Затем по открытому (небезопасному) каналу они обмениваются друг с другом информацией о том, как они измеряли свои фотоны, но молчат о результатах измерений. В итоге общий секретный ключ формируется только из тех данных, когда обе станции проводили замеры фотона одинаковым способом. Неизвестно, сколько времени потребуется для генерации одного надежного ключа с помощью спутника, в аналогичных наземных системах на это уходит от нескольких суток до долей секунды.

Можно. Но когда будут созданы мощные квантовые компьютеры, современные алгоритмы шифрования окажутся бесполезными. Сейчас шифрование устроено так: две стороны генерируют общий секретный ключ благодаря односторонним функциям. Их легко посчитать, но очень сложно провести обратное преобразование. Например, даже без калькулятора мы можем в столбик умножить два простых числа вроде 34537 и 99991. А вот выяснить, какие два множителя дадут в результате число 3453389167 — гораздо более трудоемкая задача. Если использовать очень большие простые числа, подобную задачу за разумное время не смогут решить даже современные суперкомпьютеры. А вот для квантовых компьютеров был придуман специальный алгоритм, который позволит очень быстро решить эту задачу.

Квантовое распределение ключей является одним из возможных ответов на появление мощных квантовых компьютеров. Правда, стоит отметить, что уже предложен постквантовый алгоритм обмена секретным ключом, который можно использовать на обычных компьютерах.

Нескоро. Экономически пока это не целесообразно: технологии дороги, несовершенны и уязвимы к некоторыми видам атак.

Теоретически гарантирует. Но используемые технические решения могут оказаться ненадежными. Например, взломщики научились «ослеплять» квантовые детекторы лазерным лучом, после чего детектор перестает обращать внимание на квантовые свойства фотона. В некоторых случаях вместо однофотонного источника используются многофотонные, и злоумышленник может получить возможность пропустить один из фотонов и измерив идентичные. 

Дело в том, что пока максимальное расстояние, на котором ученые смогли наладить передачу запутанных фотонов по оптиковолоконному кабелю составляет лишь 400 километров. Чем больше расстояние, тем сложнее обеспечить передачу данных без потерь, а скорость обмена информацией существенно падает. Ученые надеются сократить потери при передаче квантового сигнала по воздуху. Китайский спутник будет экспериментировать с передачей запутанных фотонов между двумя станциями, находящимися на расстоянии 1200 километров.