перспективы / Yota corporate blog / Habr

(с) New quantum dot could make quantum communications possible

Телеграф «убил» голубиную почту. Радио вытеснило проводной телеграф. Радио, конечно, никуда не исчезло, но появились другие технологии передачи данных – проводные и беспроводные. Поколения стандартов связи сменяют друг друга очень быстро: 10 лет назад мобильный интернет был роскошью, а теперь мы ждем появления 5G. В скором будущем нам понадобятся принципиально новые технологии, которые будут превосходить современные не меньше, чем радиотелеграф — голубей.

Что это может быть и как оно повлияет на всю мобильную связь — под катом.

Виртуальная реальность, обмен данными в умном городе с помощью интернета вещей, получение информации со спутников и из поселений, расположенных на других планетах Солнечной системы, и защита всего этого потока — такие задачи нельзя решить одним только новым стандартом связи.

Квантовая запутанность

(с) New Experiment Allow Us To “See” Quantum Entanglement With The Naked Eye. На самом деле мы не можем увидеть квантовую запутанность, но красивая визуализация помогает понять суть явления.

Один из основных вариантов ожидающей нас эволюции связи — использование квантовых эффектов. Эта технология не исключит, но может дополнить традиционные виды связи (хотя нельзя сходу отвергнуть идею, что сеть на основе квантовой запутанности, теоретически, может вытеснить остальные виды связи).

Квантовая запутанность — это явление связи квантовых характеристик. Связь может сохраняться, даже если частицы расходятся на большое расстояние, так как, измеряя квантовые характеристики одной из связанных частиц, мы автоматически узнаем характеристики и второй. Первый протокол квантовой криптографии появился ещё в 1984 году. С тех пор создано множество как экспериментальных, так и коммерческих систем, основанных на явлениях квантового мира.

(с) Chinese Academy of Sciences

Сегодня квантовая связь используется, например, в банковской сфере, где требуется соблюдение особых условий безопасности. Компании Id Quantique, MagiQ, Smart Quantum уже предлагают готовые криптосистемы. Квантовые технологии для обеспечения безопасности можно сравнить с ядерным оружием — это почти абсолютная защита, подразумевающая, правда, серьезные затраты на реализацию. Если с помощью квантовой запутанности передать ключ шифрования, то его перехват не даст злоумышленникам никакой ценной информации — на выходе они получат просто другой набор цифр, потому что состояние системы, в которую вмешивается внешний наблюдатель, меняется.

Создать глобальную совершенную систему шифрования до недавнего времени не удавалось — уже через несколько десятков километров передаваемый сигнал затухал. Предпринимали много попыток увеличить это расстояние. В этом году Китай запустил спутник QSS (Quantum experiments at Space Scale), который должен реализовать схемы квантового распределения ключа на расстоянии более 7000 километров.

Спутник будет генерировать два запутанных фотона и отправлять на Землю. Если всё пройдет удачно, то распределение ключа при помощи запутанных частиц станет началом эры квантовой связи. Десятки таких спутников смогли бы стать основой не только нового квантового интернета на Земле, но и квантовой связи в космосе: для будущих поселений на Луне и Марсе и для дальней космической связи со спутниками, направляющимися за пределы Солнечной системы.

Квантовая телепортация

Устройство для квантового распределения ключа в лабораторных условиях, Российский квантовый центр.

При квантовой телепортации никакого материального переноса объекта из пункта А в пункт Б не происходит — происходит передача «информации», а не вещества или энергии. Телепортация используется для квантовых коммуникаций, например для передачи секретной информации. Надо понимать, что это не информация в привычном нам виде. Упрощая модель квантовой телепортации, можно сказать, что она позволит генерировать последовательность случайных чисел на обоих концах канала, то есть мы сможем создать шифроблокнот, который нельзя перехватить. В обозримом будущем это единственное, что можно сделать с помощью квантовой телепортации.

Впервые в мире телепортация фотона состоялась в 1997 году. Спустя два десятилетия телепортация по оптоволоконным сетям стала возможна на десятки километров (в рамках Европейской программы в области квантовой криптографии рекорд составил 144 километра). Теоретически, уже сейчас в городе можно построить квантовую сеть. Однако есть существенная разница между лабораторными и реальными условиями. Оптоволоконный кабель подвергается перепадам температур, из-за чего меняется коэффициент преломления. Из-за воздействия солнца может сдвинуться фаза фотона, что в определенных протоколах приведёт к ошибке.

Казанский Квантовый Центр, лаборатория квантовой криптографии.

Эксперименты ведутся по всему миру, в том числе и в России. Несколько лет назад появилась первая в стране линия квантовой связи. Она связала два корпуса университета ИТМО в Санкт-Петербурге. В 2016 году ученые из Казанского квантового центра КНИТУ-КАИ и университета ИТМО запустили первую в стране многоузловую квантовую сеть, добившись скорости генерирования просеянных квантовых последовательностей в 117 кбит/c на линии протяжённостью 2,5 километра.

В текущем году появилась и первая коммерческая линия связи — Российский квантовый центр связал офисы «Газпромбанка» на расстоянии 30 километров.

Осенью физики лаборатории квантовых оптических технологий МГУ и Фонд перспективных исследований испытали автоматическую систему квантовой коммуникации на расстоянии 32 километра, между Ногинском и Павловским Посадом.

С учётом темпов создания проектов в области квантовых вычислений и передачи данных, через 5-10 лет (по мнению самих физиков) технология квантовой коммуникации окончательно выйдет из лабораторий и станет такой же привычной, как мобильная связь.

Возможные недостатки

(с) Is Quantum Communication Possible

В последние годы всё чаще обсуждают вопрос информационной безопасности в сфере квантовой связи. Раньше считалось, что с помощью квантовой криптографии можно передавать информацию таким образом, что её нельзя перехватить ни при каких обстоятельствах. Оказалось, что абсолютно надежных систем не существует: физики из Швеции продемонстрировали, что при некоторых условиях квантовые системы связи можно взломать благодаря некоторым особенностям в подготовке квантового шифра. Кроме того, физики из Калифорнийского университета предложили метод слабых квантовых измерений, который фактически нарушает принцип наблюдателя и позволяет вычислить состояние квантовой системы по косвенным данным.

Впрочем, наличие уязвимостей — это не повод отказываться от самой идеи квантовой связи. Гонка между злоумышленниками и разработчиками (учеными) продолжится на принципиально новом уровне: с использованием оборудования с высокими вычислительными мощностями. Такое оснащение по силам далеко не каждому хакеру. Кроме того, квантовые эффекты, возможно, позволят ускорить передачу данных. С помощью запутанных фотонов можно передавать почти вдвое больше информации в единицу времени, если их дополнительно кодировать с помощью направления поляризации.

Квантовая связь — не панацея, но пока она остается одним из самых перспективных направлений развития глобальных коммуникаций.

Квантовая сеть — Википедия

Эта статья — о Реализации и принципах работы квантовой сети . О математические принципы см. Квантовый канал.

Квантовая сеть — коммуникационная сеть, защищающая передаваемые данные с использованием фундаментальных законов квантовой механики. Является практической реализацией так называемой квантовой криптографии. Квантовые сети формируют важный элемент квантовых вычислений и квантовых систем криптографии. Они допускают транспортировку квантовой информации между физически разделенными квантовыми системами. В распределенных квантовых вычислениях сетевые узлы в сети могут обрабатывать информацию, выполняя функцию квантовых вентилей. Безопасная передача данных может быть реализована с помощью алгоритмов квантового распределения ключей.

В квантовых сетях, использующих в качестве среды передачи оптоволокно или свободное пространство, важную роль играет передача чистых квантовых состояний в виде фотонов на большие расстояния.

Идея квантовых сетей активно стала обсуждаться^{[источник не указан 1248 дней]} после успешных экспериментов по квантовой телепортации^{[уточнить]}.

Квантовое распределение ключей[править | править код]

Диаграмма протокола BB84: поляризованный фотон передается от Алисы по незащищенному квантовому каналу и перехватывается Бобом, в то время как Ева пытается подслушать канал передачи данных.

Множество существующих квантовых сетей разработаны для поддержки квантового распределения ключей (QKD) между классическими вычислительными средами. Такое применение квантовых сетей упрощает совместное использование секретного ключа шифрования между двумя сторонами. В отличие от классических алгоритмов распределения ключей, таких, как алгоритм обмена ключами Диффи-Хеллмана, квантовое распределение ключей обеспечивает безопасность через физические свойства, а не трудность математической задачи. Первый протокол квантового распределения ключей, BB84, был предложен Чарльзом Беннетом и Жилем Брассаром в 1984 году и был реализован во многих исследовательских квантовых сетях. В этом протоколе кубиты отправлены от одной стороны к другой через небезопасную квантовую сеть. Из-за свойств квантовой механики и теоремы о запрете клонирования, подслушивающий не может определить ключ, не будучи обнаруженным отправителем и получателем. В то время как протокол BB84 полагается на суперпозицию состояний кубита, чтобы обнаружить подслушивание, другие протоколы используют запутанные кубиты. Это протоколы E91, предложенный Артуром Экертом и BBM92, предложенный Чарльзом Беннетом, Жилем Брассаром и Дэвидом Мермином

Передача квантового состояния[править | править код]

В большой системе квантовых вычислений, множество отдельных квантовых компьютеров могут взаимодействовать и передавать данные через сеть. При таком взаимодействии, для сети выгодно поддерживать передачу запутанных кубитов. Рассмотрим следующий сценарий: k{\displaystyle k} квантовых компьютера, каждый из них содержит n{\displaystyle n} кубитов. В классической сети для передачи полного состояния одного квантового компьютера потребуется 2n{\displaystyle 2^{n}} бит данных. Однако, используя квантовую сеть, состояние можно передать с помощью n{\displaystyle n} кубитов. Аналогично, если возможно достичь запутанности между всеми компьютерами в сети, у системы в целом будет 2kn{\displaystyle 2^{kn}} объединённых пространств состояний, против k2n{\displaystyle k2^{n}} для классически подключенных квантовых компьютеров.

Физический уровень[править | править код]

Основной способ взаимодействия квантовых сетей на больших расстояниях — это использование оптических сетей и фотонных кубитов. Оптические сети имеют преимущество повторного использования существующего оптоволокна. А свободные сети могут быть реализованы так, что смогут передавать квантовую информацию по воздуху или в вакууме.

Оптоволоконные сети[править | править код]

Оптические сети могут быть реализованы, используя существующие телекоммуникации и телекоммуникационное оборудование. Со стороны отправителя, источник одиночных фотонов можно создать, сильно ослабив стандартный телекоммуникационный лазер, так что среднее число испускаемых фотонов за импульс будет меньше единицы. Чтобы получить данный эффект, используется лавинный фотодиод. Также могут использоваться различные методы регулировки фазы и поляризации, такие как разделители луча и интерферометры. В случае протоколов, основанных на запутывании, запутанные фотоны генерируются через спонтанное параметрическое рассеяние. В обоих случаях телекоммуникационное волокно может быть мультиплексным для отправления не квантовой синхронизации и управляющих сигналов.

Сети свободного пространства[править | править код]

Квантовые сети свободного пространства подобно оптоволоконным сетям, но полагаются на угол обзора между связывающимися сторонами вместо использования оптоволоконного соединения. Сети свободного пространства обычно поддерживают более высокую скорость передачи, чем оптоволоконные сети и не учитывают поляризационную перестановку вызванную оптоволокном.

Квантовая электродинамика полости[править | править код]

Телекоммуникационные лазеры и спонтанное параметрическое рассеяние, объединенные с фотодетекторами могут использоваться для квантового распределения ключей. Однако для запутанных квантовых систем важно сохранять и ретранслировать квантовую информацию, не разрушая базовые состояния. Квантовая электродинамика полости — один из возможных методов решения данной задачи. Здесь фотонные квантовые состояния могут быть переданы как в атомарные квантовые состояния, хранящиеся в отдельных атомах в оптических полостях, так и из них. В дополнение к созданию удаленной запутанности между удаленными атомами, это позволяет осуществлять передачу квантовых состояний между отдельными атомами, используя оптоволокно.

Каналы с помехами[править | править код]

Квантовые повторители[править | править код]

Диаграмма квантовой телепортации

Передаче данных на дальние расстояния препятствуют эффекты потери сигнала и декогерентность, присущая большинству транспортных сред, таких как оптоволокно. При классической передаче данных используются усилители, чтобы улучшить сигнал во время передачи, однако в квантовых сетях, согласно теореме о запрете клонирования, усилители использовать нельзя. Альтернативой усилителям в квантовых сетях является квантовая телепортация, передающая квантовую информацию (кубиты) получателю. Это позволяет избежать проблем, связанных с отправкой одиночных фотонов по длинной линии передачи с высокими потерями. Однако для осуществления квантовой телепортации необходима пара запутанных кубитов, по одному на каждом конце линии передачи. Квантовые повторители позволяют создать запутанность в удаленных узлах без физической отправки запутанного кубита на всё расстояние.

В этом случае квантовая сеть состоит из множества коротких каналов связи, длинной десятки или сотни километров. В простейшем случае, с одним повторителем, создается две пары запутанных кубитов: |A⟩{\displaystyle |A\rangle } и |Ra⟩{\displaystyle |R_{a}\rangle } расположенные на отправителе и повторителе, а вторая пара |Rb⟩{\displaystyle |R_{b}\rangle } и |B⟩{\displaystyle |B\rangle } на повторителе и получателе соответственно. Эти начальные запутанные кубиты легко создать, например, с помощью спонтанного параметрического рассеяния, физически передавая один кубит на соседний узел. При этом повторитель может выполнить измерение состояния Белла на кубитах |Ra⟩{\displaystyle |R_{a}\rangle } и |Rb⟩{\displaystyle |R_{b}\rangle } телепортировав таким образом квантовое состояние |Ra⟩{\displaystyle |R_{a}\rangle } в |B⟩{\displaystyle |B\rangle }. Это имеет эффект «свопинга» запутанности, таким образом, что |A⟩{\displaystyle |A\rangle } и |B⟩{\displaystyle |B\rangle } теперь запутанны на расстоянии в 2 раза сильнее, чем начальные запутанные пары кубитов. Сети таких повторителей могут использоваться как линейно, так и иерархическим образом, для создания запутанности на большие расстояния.

Исправление ошибок[править | править код]

Ошибки при передаче данных можно разделить на два типа: ошибки потерь (из-за свойств оптоволокна/среды) и ошибки работы (такие как деполяризация, дефазировка и т. д.). В то время как избыточность можно использовать, чтобы обнаружить и исправить ошибки в классической сети, созданию избыточных кубитов препятствует теорема о запрете клонирования. Поэтому введены другие типы исправления ошибок, как код Шора или один из более общих и эффективных алгоритмов. Принцип их работы в распределении квантовой информации через многократно запутанные кубиты так, что и ошибки работы, и ошибки потерь могут быть исправлены.

В дополнение к квантовому исправлению ошибок, классическое исправление ошибок может использоваться квантовыми сетями в особых случаях, таких как квантовое распределение ключа. В этих случаях цель квантовой передачи состоит в том, чтобы надежно передать строку классических битов. Например, код Хемминга может быть применен к строке битов до кодирования и передачи данных в квантовой сети.

Классические сети с использованием квантового распределения ключей для классической криптографии[править | править код]

Две компании, «idQuantique (англ.)русск.» (Швейцария), «MagiQTech (англ.)русск.» (США) предлагают коммерчески доступные устройства квантового распределения ключей и классической криптографии^[1].

Ученые из Казанского квантового центра КНИТУ-КАИ и Университета ИТМО совместно произвели запуск пилотного сегмента первой в России многоузловой квантовой сети (4 узла, порядка ста кбит/c просеянной квантовой последовательности, линии протяжённостью в единицы км).^[2]

В Китае в ноябре 2016 года было завершено создание квантовая коммуникационная линия^{[неизвестный термин][уточнить]} длиной 712 километров Хэфэй-Шанхай с 11 станциями, строительство заняло 3 года. По сообщению Chen Yu’ao планируется, что на её базе будет создана линия Пекин-Шанхай общей длиной порядка 2 тыс. км^[3][4][5].

Высказываются предложения создания квантовых сетей, в которых узлы хранили бы квантовые состояния и обменивались ими через «квантовую сеть» с целью создания территориально распределенных квантово-запутанных систем^[6].

В мае 2019 года российские учёные из Центра научных исследований и перспективных разработок компании «Инфотекс» и Центра квантовых технологий МГУ имени М.В. Ломоносова успешно провели публичные испытания первого российского квантового телефона ViPNet QSS Phone, входящего в разработанный и реализованный ими же комплекс защищенной телефонии ViPNet Quantum Security System (ViPNet QSS). Организаторы провели первый сеанс голосовой связи, защищенной с помощью квантового распределения ключей, между офисами «Инфотекса» и Центра квантовых технологий МГУ^[7]. Отечественный квантовый телефон ViPNet QSS Phone, над которым трудились более трёх лет, не подвержен известным атакам с использованием квантовых компьютеров. Успешность тестирования подтвердили специалисты Центра компетенций Национальной технологической инициативы (НТИ) «Центр квантовых технологий». В продажу установки квантовой телефонии (комплексы ViPNet Quantum Security System (ViPNet QSS) и квантовые телефоны ViPNet QSS Phone к ним) начнут поступать в 2020 году

[8].

КВАНТОВАЯ СВЯЗЬ • Большая российская энциклопедия

КВА́НТОВАЯ СВЯЗЬ, со­во­куп­ность ме­то­дов для пе­ре­да­чи кван­то­вой ин­фор­ма­ции, т. е. ин­фор­ма­ции, за­ко­ди­ро­ван­ной в кван­то­вых со­стоя­ни­ях (КС), из од­ной про­стран­ст­вен­ной точ­ки в дру­гую. Но­си­те­ля­ми кван­то­вой ин­фор­ма­ции яв­ля­ют­ся кван­то­вые сис­те­мы, ко­то­рые мо­гут на­хо­дить­ся в разл. кван­то­вых со­стоя­ни­ях.

Об­мен ин­фор­ма­ци­ей ме­ж­ду уда­лён­ны­ми поль­зо­ва­те­ля­ми про­ис­хо­дит с учё­том ти­па КС, ко­то­рые, в от­ли­чие от клас­сич. со­стоя­ний, мо­гут быть не­ор­то­го­наль­ны­ми и пе­ре­пу­тан­ны­ми (сцепленными). Ко­ди­ро­ва­ние клас­сич. ин­фор­ма­ции в не­ор­то­го­наль­ные КС да­ёт воз­мож­ность со­про­во­ж­дать ка­ж­дое со­об­ще­ние соб­ст­вен­ным сек­рет­ным клю­чом, т. е. раз­ре­шить од­ну из осн. про­блем клас­сич. крип­то­гра­фии – без­ус­лов­но сек­рет­ное рас­пре­де­ле­ние клю­чей. Свой­ст­во пе­ре­пу­тан­но­сти КС по­зво­ля­ет обес­пе­чить дос­тав­ку двух иден­тич­ных по­сле­до­ва­тель­но­стей би­тов двум уда­лён­ным поль­зо­ва­те­лям с га­ран­ти­ей, что ин­фор­ма­ция, со­дер­жа­щая­ся в них, не­до­ступ­на треть­ей сто­ро­не. И в пер­вом, и во вто­ром слу­чае аб­со­лют­ная сек­рет­ность пе­ре­да­вае­мых дан­ных обес­пе­чи­ва­ет­ся не вы­чис­ли­тель­ны­ми и тех­нич. воз­мож­но­стя­ми ле­ги­тим­ных поль­зо­ва­те­лей и по­тен­ци­аль­но­го пе­ре­хват­чи­ка, а за­ко­на­ми при­ро­ды, ос­но­ван­ны­ми на ли­ней­но­сти и уни­тар­но­сти кван­то­вых пре­об­ра­зо­ва­ний и на не­оп­ре­де­лён­но­стей со­от­но­ше­ни­ях (см. Кван­то­вая крип­то­гра­фия).

Наи­бо­лее под­хо­дя­щи­ми кван­то­вы­ми сис­те­ма­ми, ис­поль­зуе­мы­ми для пе­ре­да­чи КС на боль­шие рас­стоя­ния, яв­ля­ют­ся фо­то­ны. Они рас­про­стра­ня­ют­ся со ско­ро­стью све­та, по­зво­ля­ют ко­ди­ро­вать ин­фор­ма­цию в час­тот­ных, фа­зо­вых, ам­пли­туд­ных, по­ля­ри­за­ци­он­ных и вре­мен­ны́х пе­ре­мен­ных. К то­му же ис­поль­зо­ва­ние фо­то­нов как но­си­те­лей ин­фор­ма­ции по­зво­ля­ет при­ме­нять ряд тех­но­ло­гич. до­сти­же­ний в об­лас­ти клас­сич. те­ле­ком­му­ни­ка­ций – оп­тич. во­ло­кон­ные ли­нии свя­зи, все­воз­мож­ные мо­ду­ля­то­ры и пре­об­ра­зо­ва­те­ли оп­тич. сиг­на­лов.

Со­стоя­ния фо­то­нов, в ко­то­рых ко­ди­ру­ет­ся ин­фор­ма­ция, вы­би­ра­ют­ся из чис­ла сте­пе­ней сво­бо­ды элек­тро­маг­нит­но­го по­ля, ко­то­рые мо­гут быть не­пре­рыв­ны­ми и дис­крет­ны­ми. Не­пре­рыв­ны­ми сте­пе­ня­ми сво­бо­ды об­ла­да­ют кван­то­вые сис­те­мы с боль­шой (в пре­де­ле – бес­ко­неч­ной) раз­мер­но­стью гиль­бер­то­ва про­стран­ст­ва, напр. квад­ра­тур­ные ам­пли­ту­ды к.-л. мо­ды кван­то­ван­но­го элек­тро­маг­нит­но­го по­ля или кол­лек­тив­ные со­стоя­ния ан­самб­ля атом­ных сис­тем. Пе­ре­пу­тан­ные со­стоя­ния сис­тем с не­пре­рыв­ны­ми пе­ре­мен­ны­ми реа­ли­зу­ют­ся за счёт ис­поль­зо­ва­ния сжа­тых со­стоя­ний све­та, при­чём сжа­тие квад­ра­тур­ных кван­то­вых флук­туа­ций про­ис­хо­дит в ре­зуль­та­те не­ли­ней­ных оп­тич. про­цес­сов.

Для сис­тем с дис­крет­ны­ми пе­ре­мен­ны­ми раз­мер­ность гиль­бер­то­ва про­стран­ст­ва ко­неч­на. Про­стей­шей сис­те­мой та­ко­го ти­па яв­ля­ет­ся двух­уров­не­вая сис­те­ма, ко­то­рая мо­жет быть реа­ли­зо­ва­на, напр., на по­ля­ри­за­ци­он­ных сте­пе­нях сво­бо­ды фо­то­на. В со­стоя­ни­ях двух­уров­не­вой сис­те­мы фи­зи­че­ски реа­ли­зу­ет­ся кван­то­вый бит ин­фор­ма­ции, на­зы­вае­мый ку­би­том (q-бит, qubit, от англ. quantum bit). Про­то­ко­лы кван­то­вой свя­зи на ос­но­ве ку­би­тов (под про­то­ко­ла­ми по­ни­мают по­сле­до­ва­тель­ность дей­ст­вий, при­во­дя­щих к ре­ше­нию за­да­чи) яв­ля­ют­ся наи­бо­лее раз­ра­бо­тан­ны­ми.

Лю­бая сис­те­ма К. с. со­сто­ит из ис­точ­ни­ка кван­то­вых со­стоя­ний, сре­ды, в ко­то­рой рас­про­стра­ня­ют­ся эти со­стоя­ния (ка­на­ла свя­зи), и де­тек­то­ров, из­ме­ряю­щих КС. Для ге­не­ра­ции КС на отд. фо­то­нах в осн. ис­поль­зу­ют силь­но ос­лаб­лен­ные ла­зер­ные им­пуль­сы. Ес­ли ис­ход­ное ла­зер­ное из­лу­че­ние име­ет пу­ас­со­нов­скую ста­ти­сти­ку, то, вво­дя за­дан­ное ос­лаб­ле­ние, мож­но рас­счи­тать ср. чис­ло фо­то­нов в им­пуль­се, а так­же до­лю ва­ку­ум­ной, од­но­фо­тон­ной, двух­фо­тон­ной и др. ком­по­нент. В совр. сис­те­мах кван­то­вой крип­то­гра­фии при­ня­то ис­поль­зо­вать ср. чис­ло фо­то­нов на уров­не 0,1, т. е. ко­гда в ка­ж­дом де­ся­том им­пуль­се при­сут­ст­ву­ет при­мер­но один фо­тон. Не­из­беж­ное ста­ти­стич. при­сут­ст­вие мно­го­фо­тон­ных ком­по­нент ог­ра­ни­чи­ва­ет сек­рет­ность пе­ре­да­вае­мых дан­ных.

Пе­ре­пу­тан­ные со­стоя­ния пар фо­то­нов ге­не­ри­ру­ют­ся в про­цес­се спон­тан­но­го па­ра­мет­рич. рас­сея­ния (СПР) све­та. В за­ви­си­мо­сти от ре­жи­ма СПР пе­ре­пу­ты­ва­ние про­ис­хо­дит ме­ж­ду раз­ны­ми сте­пе­ня­ми сво­бо­ды фо­то­нов. Раз­ли­ча­ют про­ст­ран­ст­вен­но-по­ля­ри­за­ци­он­ные, час­тот­но-по­ля­ри­за­ци­он­ные, вре­мя-энер­ге­ти­че­ские и др. ти­пы пе­ре­пу­тан­ных со­стоя­ний. В про­цес­се вы­ну­ж­ден­но­го па­ра­мет­рич. рас­сея­ния ге­не­ри­ру­ют­ся сжа­тые со­стоя­ния све­та – ана­лог пе­ре­пу­тан­ных со­сто­я­ний при боль­ших ин­тен­сив­но­стях из­лу­че­ния.

Сре­да, в ко­то­рой рас­про­стра­ня­ют­ся КС, пред­став­ля­ет со­бой во­ло­кон­но-оп­тич. ли­нии свя­зи или от­кры­тое про­ст­ран­ст­во. Стан­дарт­ные во­ло­кон­но-оп­тич. ли­нии свя­зи из­го­тав­ли­ва­ют­ся из плав­ле­но­го квар­ца и име­ют ми­ним. по­те­ри на дли­нах волн 1,3 мкм и 1,55 мкм. Ес­ли ка­на­лом свя­зи яв­ля­ет­ся от­кры­тое про­стран­ст­во, то ми­ним. по­те­ри про­ис­хо­дят на дли­не вол­ны 0,8 мкм и в об­лас­ти 4–10 мкм. Имен­но на этих дли­нах волн ге­не­ри­ру­ют­ся оп­тич. КС в за­ви­си­мо­сти от ти­па ли­нии свя­зи.

Для из­ме­ре­ния КС ис­поль­зу­ют­ся в осн. ла­вин­ные фо­то­дио­ды. В диа­па­зо­не 1,3–1,55 мкм это дио­ды на ос­но­ве по­лу­про­вод­ни­ко­вых струк­тур ти­па InGаAs/InP с кван­то­вой эф­фек­тив­но­стью ок. 10%. В диа­па­зо­не 0,8 мкм ис­поль­зу­ют­ся крем­ние­вые ла­вин­ные фо­то­дио­ды с кван­то­вой эф­фек­тив­но­стью ок. 50%. Раз­ра­ба­ты­ва­ют­ся др. ти­пы де­тек­то­ров, напр. на ос­но­ве сверх­про­во­дя­щих струк­тур. В бу­ду­щем для за­пи­си, хра­не­ния и об­ра­бот­ки кван­то­вой ин­фор­ма­ции пред­по­ла­га­ет­ся ис­поль­зо­вать кван­то­вые ин­тер­фей­сы и кван­то­вую па­мять.

К. с. раз­ли­ча­ют по чис­лу кван­то­вых си­с­тем, во­вле­чён­ных в ко­ди­ро­ва­ние кван­то­вой ин­фор­ма­ции. При од­но­фо­тон­ной К. с. ин­фор­ма­ция ко­ди­ру­ет­ся в со­стоя­ни­ях еди­нич­ных фо­то­нов. При двух­фо­тон­ной К. с. для дис­тан­ци­он­но­го при­готов­ле­ния нуж­но­го со­стоя­ния ис­поль­зу­ет­ся пе­ре­пу­ты­ва­ние па­ры фо­то­нов. Трёх­фо­тон­ная К. с. при­ме­ня­ет­ся для пе­ре­да­чи од­но­фо­тон­но­го КС без не­по­сред­ст­вен­ной свя­зи ме­ж­ду дву­мя про­стран­ст­вен­но-вре­менны́ми точ­ка­ми за счёт кван­то­вой те­ле­пор­та­ции. Кван­то­вая те­ле­пор­та­ция – спо­соб пе­ре­да­чи про­из­воль­ных (за­ра­нее не­из­вест­ных) кван­то­вых со­стоя­ний из од­ной точ­ки в дру­гую, ис­поль­зуя пе­ре­пу­тан­ные со­стоя­ния, рас­пре­де­лён­ные ме­ж­ду эти­ми дву­мя точ­ка­ми, и об­мен клас­сич. дан­ны­ми ме­ж­ду ни­ми. При те­ле­пор­та­ции од­но­го ку­би­та ис­поль­зу­ют два би­та клас­сич. ин­фор­ма­ции. Че­ты­рёх­фо­тон­ная К. с. при­ме­ня­ет­ся для те­ле­пор­та­ции пе­ре­пу­ты­ва­ния или кван­то­во­го об­ме­на пе­ре­пу­ты­ва­ни­ем. Этот тип К. с. очень ва­жен для соз­да­ния кван­то­вых ретранс­ля­то­ров и кван­то­вых по­вто­ри­те­лей (ретранс­ля­тор+кван­то­вая па­мять). Раз­ви­тие К. с. пер­спек­тив­но че­рез низ­ко­ор­би­таль­ные спут­ни­ки.

Рас­стоя­ние, на ко­то­ром га­ран­ти­ру­ет­ся аб­со­лют­но сек­рет­ная пе­ре­да­ча ин­фор­ма­ции, ог­ра­ни­чи­ва­ет­ся на­ли­чи­ем тем­но­вых от­счё­тов де­тек­то­ров, не­иде­аль­но­стью ис­точ­ни­ков од­но­фо­тон­ных со­стоя­ний, по­те­ря­ми в ли­ни­ях свя­зи. Ско­рость пе­ре­да­чи ог­ра­ни­че­на час­тот­ной по­ло­сой ис­поль­зуе­мых элек­трон­ных ком­по­нен­тов, бы­ст­ро­дей­ст­ви­ем и па­ра­зит­ны­ми эф­фек­та­ми в де­тек­то­рах. Для уст­ра­не­ния этих не­дос­тат­ков ис­поль­зу­ют­ся бо­лее ка­че­ст­вен­ные обо­ру­до­ва­ние, ма­те­риа­лы и но­вей­шие тех­но­ло­гии, а так­же раз­ра­ба­ты­ва­ют­ся но­вые про­то­ко­лы. Напр., в кван­то­вой крип­то­гра­фии пред­ла­га­ет­ся ис­поль­зо­вать не ку­би­ты, а сис­те­мы с бо­лее высо­кой раз­мер­но­стью – ку­ди­ты. Наи­бо­лее важ­ные про­то­ко­лы К. с.: кван­то­вая те­ле­пор­та­ция, об­мен пе­ре­пу­ты­ва­ни­ем (те­ле­пор­та­ция пе­ре­пу­ты­ва­ния), кван­то­вая плот­ная ко­ди­ров­ка, кван­то­вое ис­прав­ле­ние оши­бок, кван­то­вая крип­то­гра­фия и др.

Квантовая связь в действии — описание, особенности и интересные факты

Квантовая физика предлагает абсолютно новый способ защиты информации. Зачем он нужен, разве сейчас нельзя проложить защищенный канал связи? Безусловно, можно. Но уже созданы квантовые компьютеры, и в тот момент, когда они станут распространены повсеместно, современные алгоритмы шифрования будут бесполезны, так как эти мощные компьютеры смогут взламывать их за доли секунды. Квантовая связь позволяет шифровать информацию при помощи фотонов — элементарных частиц.

Такие компьютеры, получив доступ к квантовому каналу, так или иначе изменят настоящее состояние фотонов. И попытка получить информацию приведет к ее повреждению. Скорость передачи информации, конечно, ниже, по сравнению с другими, ныне существующими каналами, например, с телефонной связью. Но квантовая связь обеспечивает гораздо больший уровень секретности. Это, естественно, очень большой плюс. Особенно в современном мире, когда киберпреступность растет с каждым днем.

Квантовая связь для «чайников»

Когда-то голубиная почта была вытеснена телеграфом, в свою очередь, телеграф вытеснило радио. Конечно, оно сегодня, никуда не делось, но появились другие современные технологии. Всего десять лет назад Интернет не был распространен так, как сегодня и доступ к нему было получить достаточно сложно — приходилось ехать в интернет-клубы, покупать весьма дорогие карточки и т. д. Сегодня без Интернета мы не проживаем ни часа, и с нетерпением ждем 5G.

Но очередной новый стандарт связи не решит задачи, которые стоят сейчас перед организацией обмена данными при помощи Интернета, получения данных со спутников из поселений на других планетах и т. п. Все эти данные должны быть надежно защищены. А организовывать это можно при помощи так называемой квантовой запутанности.

Что же такое квантовая связь? Для «чайников» объясняют это явление как связь разных квантовых характеристик. Она сохраняется даже тогда, когда частицы разнесены друг от друга на большое расстояние. Зашифрованный и переданный при помощи квантовой запутанности ключ, не предоставит никакой ценной информации взломщикам, которые попытаются его перехватить. Все, что они получат — это другие цифры, так как состояние системы, при внешнем вмешательстве, будет изменено.

Но создать всемирную систему передачи данных не удавалось, так как уже через несколько десятков километров сигнал затухал. Спутник, запущенный в 2016 г., поможет реализовать схему квантовой передачи ключей на расстояния больше 7 тыс. км.

Первые успешные попытки использования новой связи

Самый первый протокол квантовой криптографии был получен в 1984 г. Сегодня эта технология успешно используется в банковской сфере. Известные компании предлагают созданные ими криптосистемы.

Квантовая линия связи осуществляется на стандартном оптоволоконном кабеле. В России первый защищенный канал был проложен между отделениями «Газпромабанка» в Новых Черемушках и на Коровьем валу. Общая длина равняется 30,6 км, ошибки при передаче ключа возникают, но их процент минимален — всего 5%.

Китай запустил спутник квантовой связи

Первый в мире подобный спутник был запущен в Китае. Ракета Long March-2D стартовала 16 августа 2016 г. с космодрома Цзю-Цюань. Спутник весом 600 кг будет 2 года летать по солнечно-синхронной орбите, высотой 310 миль (или 500 км) в рамках программы «Квантовые эксперименты в космическом масштабе». Период обращения аппарата вокруг Земли равняется полутора часам.

Спутник квантовой связи называется Micius, или «Мо-Цзы», в честь философа, который жил в V в.н.э. и, как принято считать, первым проводил оптические эксперименты. Ученые собираются изучить механизм квантовой запутанности и провести квантовую телепортацию между спутником и лабораторией в Тибете.

Последняя передает квантовое состояние частицы на заданное расстояние. Для реализации этого процесса нужна пара запутанных (иначе говоря, сцепленных) частиц, находящихся на расстоянии друг от друга. Согласно квантовой физике, они способны улавливать информацию о состоянии партнера, даже находясь далеко друг от друга. То есть можно оказывать воздействие на частицу, которая находится в далеком космосе, воздействуя на ее партнера, который находится рядом, в лаборатории.

Спутник будет создавать два запутанных фотона и отправлять их на Землю. Если опыт будет удачным, он ознаменует собой начало новой эры. Десятки подобных спутников смогут не только обеспечить повсеместное распространение квантового интернета, но и квантовую связь в космосе для будущих поселений на Марсе и на Луне.

Зачем нужны такие спутники

Но зачем вообще нужен спутник квантовой связи? Разве уже существующих обычных спутников не достаточно? Дело в том, что эти спутники не будут заменять обычные. Принцип квантовой связи состоит в кодировании и защите существующих обычных каналов передачи данных. С ее помощью, например, уже обеспечивалась безопасность во время проведения парламентских выборов в 2007 году в Швейцарии.

Некоммерческая исследовательская организация Баттельский мемориальный институт, проводит обмен информацией между отделениями в США (штат Огайо) и в Ирландии (Дублин) используя квантовую запутанность. Принцип ее основан на поведении фотонов — элементарных частиц света. С их помощью кодируется информация и отправляется адресату. Теоретически, даже самая аккуратная попытка вмешательства, оставит след. Квантовый ключ изменится сразу же, и хакер, предпринявший попытку, получит бессмысленный символьный набор. Поэтому все данные, которые будут передавать через эти каналы связи, невозможно перехватить или скопировать.

Спутник поможет ученым тестировать распределение ключа между наземными станциями и самим спутником.

Квантовая связь в Китае будет реализована благодаря оптоволоконным кабелям, общей протяженностью 2 тыс. км и объединяющих 4 города от Шанхая до Пекина. Серии фотонов бесконечно передаваться не могут, и чем больше расстояние между станциями, тем выше шанс того, что информация будет повреждена.

Пройдя какое-то расстояние, сигнал затухает, и ученым, для того чтобы поддерживать корректную передачу информации, нужен способ обновления сигнала спустя каждые 100 км. В кабелях это достигается с помощью проверенных узлов, в которых ключ анализируется, копируется новыми фотонами и идет дальше.

Немного истории

В 1984 г. Брассард Ж. из Монреальского университета и Беннет Ч. из IBM предположили, что фотоны можно использовать в криптографии для получения защищенного фундаментального канала. Ими была предложена простая схема квантового перераспределения шифровальных ключей, которая была названа ВВ84.

Схема эта использует квантовый канал, по которому информация между двумя пользователями передается в виде поляризованных квантовых состояний. Подслушивающий их хакер может попытаться измерить эти фотоны, но он не может это сделать, как сказано выше, не внеся в них искажения. В 1989 г. в Исследовательском центре IBM Брассард и Беннет создали первую в мире работающую квантово-криптографическую систему.

Из чего состоит квантово-оптическая криптографическая система (КОКС)

Основные теххарактеристики КОКС (коэффициент ошибок, скорость передачи данных и т.п.) определены параметрами образующих канал элементов, которые формируют, передают и измеряют квантовые состояния. Обычно КОКС состоит из приемной и передающей частей, которые связаны каналом передачи.

Источники излучения разделяются на 3 класса:

• лазеры;
• микролазеры;
• светоизлучающие диоды.

Для передачи оптических сигналов в качестве среды используют волоконно-оптические светодиоды, объединенные в кабели разной конструкции.

Природа секретности квантовой связи

Переходя от сигналов, в которых передаваемая информация кодируется импульсами с тысячами фотонов, к сигналам, в которых на один импульс, в среднем, приходится их меньше единицы, в действие вступают квантовые законы. Именно использование этих законов с классической криптографией позволяет достигать секретности.

Принцип неопределенности Гейзенберга применяется в квантово-криптографических аппаратах и благодаря ему любые попытки изменения в квантовой системе вносят в нее изменения, и формация, полученная в результате подобного измерения, определяется принимаемой стороной как ложная.

Дает ли квантовая криптография 100% гарантию от взлома?

Теоретически дает, но технические решения не совсем надежны. Злоумышленники стали использовать лазерный луч, с помощью которого они ослепляют квантовые детекторы, после чего те перестают реагировать на квантовые свойства фотонов. Иногда используются многофотонные источники, и взломщики могут получать возможность пропускать один из них и измерять идентичные.

Квантовая криптография — Википедия

Квантовая криптография — метод защиты коммуникаций, основанный на принципах квантовой физики. В отличие от традиционной криптографии, которая использует математические методы, чтобы обеспечить секретность информации, квантовая криптография сосредоточена на физике, рассматривая случаи, когда информация переносится с помощью объектов квантовой механики. Процесс отправки и приёма информации всегда выполняется физическими средствами, например, при помощи электронов в электрическом токе, или фотонов в линиях волоконно-оптической связи. Подслушивание может рассматриваться как изменение определённых параметров физических объектов — в данном случае, переносчиков информации.

Технология квантовой криптографии опирается на принципиальную неопределённость поведения квантовой системы, выраженную в принципе неопределённости Гейзенберга — невозможно одновременно получить координаты и импульс частицы, невозможно измерить один параметр фотона, не исказив другой.

Используя квантовые явления можно спроектировать и создать такую систему связи, которая всегда может обнаруживать подслушивание. Это обеспечивается тем, что попытка измерения взаимосвязанных параметров в квантовой системе вносит в неё нарушения, разрушая исходные сигналы, а значит, по уровню шума в канале легитимные пользователи могут распознать степень активности перехватчика.

Впервые идея защиты информации с помощью квантовых объектов была предложена Стивеном Визнером в 1970 году. Спустя десятилетие Чарльз Беннет (IBM) и Жиль Брассар (Монреальский университет), знакомые с работой Визнера, предложили передавать секретный ключ с использованием квантовых объектов. В 1984 году они предположили возможность создания фундаментально защищённого канала с помощью квантовых состояний. После этого ими была предложена схема (BB84), в которой легальные пользователи (Алиса и Боб) обмениваются сообщениями, представленными в виде поляризованных фотонов, по квантовому каналу.

Злоумышленник (Ева), пытающийся исследовать передаваемые данные, не может произвести измерение фотонов без искажения текста сообщения. Легальные пользователи по открытому каналу сравнивают и обсуждают сигналы, передаваемые по квантовому каналу, тем самым проверяя их на возможность перехвата. Если ими не будет выявлено никаких ошибок, то переданную информацию можно считать случайно распределённой, случайной и секретной, несмотря на все технические возможности, которые может использовать криптоаналитик.

Первое устройство квантовой криптографии[править | править код]

Первая квантово-криптографическая схема. Система состоит из квантового канала и специального оборудования на обоих концах схемы.

Первая работающая квантово-криптографическая схема была построена в 1989 году в Исследовательском центре компании IBM Беннетом и Брассаром. Данная схема представляла собой квантовый канал, на одном конце которого был передающий аппарат Алисы, на другом принимающий аппарат Боба. Оба аппарата были размещены на оптической скамье длиной около 1 м, в светонепроницаемом кожухе размерами 1,5 × 0,5 × 0,5 м. Управление происходило с помощью компьютера, в который были загружены программные представления легальных пользователей и злоумышленника.

Сохранность тайны передаваемых данных напрямую зависит от интенсивности вспышек света, используемых для передачи. Слабые вспышки, хоть и делают трудным перехват сообщений, все же приводят к росту числа ошибок у легального пользователя, при измерении правильной поляризации. Повышение интенсивности вспышек значительно упрощает перехват путём расщепления начального одиночного фотона (или пучка света) на два: первого по-прежнему направленному легальному пользователю, а второго анализируемого злоумышленником. Легальные пользователи могут исправлять ошибки с помощью специальных кодов, обсуждая по открытому каналу результаты кодирования.

Но всё-таки при этом часть информации попадает к криптоаналитику. Тем не менее, легальные пользователи Алиса и Боб, изучая количество выявленных и исправленных ошибок, а также интенсивность вспышек света, могут дать оценку количеству информации, попавшей к злоумышленнику.

Простейший алгоритм генерации секретного ключа (BB84)[править | править код]

Схема ВВ84 работает следующим образом. Вначале отправитель (Алиса) производит генерацию фотонов со случайной поляризацией, выбранной из 0, 45, 90 и 135°. Получатель (Боб) принимает эти фотоны, затем для каждого выбирает случайным образом способ измерения поляризации, диагональный или перпендикулярный. Затем по открытому каналу сообщает о том, какой способ он выбрал для каждого фотона, не раскрывая при этом самих результатов измерения. После этого Алиса по тому же открытому каналу сообщает, правильный ли был выбран вид измерений для каждого фотона. Далее Алиса и Боб отбрасывают те случаи, когда измерения Боба были неверны. Если не было перехвата квантового канала, то секретной информацией или ключом и будут оставшиеся виды поляризации. На выходе будет последовательность битов: фотоны с горизонтальной или 45°-й поляризацией принимаются за двоичный «0», а с вертикальной или 135°-й поляризацией — за двоичную «1». Этот этап работы квантово-криптографической системы называется первичной квантовой передачей.

Алиса посылает фотоны, имеющие одну из четырёх возможных поляризаций, которую она выбирает случайным образом.

Для каждого фотона Боб выбирает случайным образом тип измерения: он изменяет либо прямолинейную поляризацию (+), либо диагональную (х).

Боб записывает результаты изменения и сохраняет в тайне.

Боб открыто объявляет, какого типа измерения он проводил, а Алиса сообщает ему, какие измерения были правильными.

Алиса и Боб сохраняют все данные, полученные в тех случаях, когда Боб применял правильное измерение. Эти данные затем переводятся в биты (0 и 1), последовательность которых и является результатом первичной квантовой передачи.

Следующим этапом очень важно оценить попытки перехватить информацию в квантово-криптографическом канале связи. Это производится по открытому каналу Алисой и Бобом путём сравнения и отбрасывания подмножеств полученных данных случайно ими выбранных. Если после такого сравнения будет выявлен перехват, то Алиса и Боб должны будут отбросить все свои данные и начать повторное выполнение первичной квантовой передачи. В противном случае они оставляют прежнюю поляризацию. Согласно принципу неопределённости, криптоаналитик (Ева) не может измерить как диагональную, так и прямоугольную поляризацию одного и того же фотона. Даже если им будет произведено измерение для какого-либо фотона и затем этот же фотон будет переслан Бобу, то в итоге количество ошибок намного увеличится, и это станет заметно Алисе. Это приведет к тому, что Алиса и Боб будут полностью уверены в состоявшемся перехвате фотонов. Если расхождений нет, то биты, использованные для сравнения, отбрасываются, ключ принимается. С вероятностью 1−2−k{\displaystyle 1-2^{-k}} (где k — число сравненных битов) канал не прослушивался.

Если недоброжелатель может не только прослушивать основной канал «Алиса → Боб», но и может фальсифицировать работу открытого канала Боб → Алиса, то вся схема рушится; смотри статью атака посредника.

Описанный алгоритм носит название протокола квантового распределения ключа BB84. В нём информация кодируется в ортогональные квантовые состояния. Помимо использования ортогональных состояний для кодирования информации, можно использовать и неортогональные состояния (например, протокол B92).

В 1991 году Чарльзом Беннетом был предложен следующий алгоритм для выявления искажений в переданных по квантовому каналу данных:

• Отправитель и получатель заранее оговаривают произвольность расположения битов в строках, что определяет произвольный характер положения ошибок.
• Все строки разбиваются на блоки длины k. Где k выбирается так, чтобы минимизировать вероятность ошибки.
• Отправитель и получатель определят четность каждого блока, и сообщают её друг другу по открытому каналу связи. После этого в каждом блоке удаляют последний бит.
• Если четность двух каких-либо блоков оказалось различной, отправитель и получатель производят итерационный поиск неверных битов и исправляют их.
• Затем весь алгоритм выполняется заново для другого (большего) значения k. Это делается для того, чтобы исключить ранее незамеченные кратные ошибки.
• Чтобы определить все ли ошибки были обнаружены, проводится псевдослучайная проверка. Отправитель и получатель открыто сообщают о произвольной перестановке половины бит в строках, а затем вновь открыто сравнивают четности (Если строки различны, четности обязаны не совпадать с вероятностью 0,5). Если четности отличаются, отправитель и получатель производят двоичный поиск и удаляют неверные биты.
• Если различий не наблюдается, после n итераций отправитель и получатель будут иметь одинаковые строки с вероятностью ошибки 2^-n.

Рассмотрим схему физической реализации квантовой криптографии^[1]. Слева находится отправитель, справа — получатель. Для того, чтобы передатчик имел возможность импульсно варьировать поляризацию квантового потока, а приёмник мог анализировать импульсы поляризации, используются ячейки Поккельса. Передатчиком формируется одно из четырёх возможных состояний поляризации. На ячейки данные поступают в виде управляющих сигналов. Для организации канала связи обычно используется волокно, а в качестве источника света берут лазер.

На стороне получателя после ячейки Поккельса расположена кальцитовая призма, которая должна расщеплять пучок на две составляющие, улавливаемые двумя фотодетекторами (ФЭУ), а те, в свою очередь, измеряют ортогональные составляющие поляризации. Вначале необходимо решить проблему интенсивности передаваемых импульсов квантов, возникающую при их формировании. Если в импульсе содержится 1000 квантов, существует вероятность того, что 100 из них будут отведены криптоаналитиком на свой приёмник. После чего, проводя анализ открытых переговоров, он сможет получить все необходимые ему данные. Из этого следует, что идеален вариант, когда в импульсе количество квантов стремится к одному. Тогда любая попытка перехватить часть квантов неизбежно изменит состояние всей системы и соответственно спровоцирует увеличение числа ошибок у получателя. В этой ситуации следует не рассматривать принятые данные, а заново повторить передачу. Однако, при попытках сделать канал более надёжным, чувствительность приёмника повышается до максимума, и перед специалистами встаёт проблема «темнового» шума. Это означает, что получатель принимает сигнал, который не был отправлен адресантом. Чтобы передача данных была надёжной, логические нули и единицы, из которых состоит двоичное представление передаваемого сообщения, представляются в виде не одного, а последовательности состояний, что позволяет исправлять одинарные и даже кратные ошибки.

Для дальнейшего увеличения отказоустойчивости квантовой криптосистемы используется эффект Эйнштейна — Подольского — Розена, возникающий в том случае, если сферическим атомом были излучены в противоположных направлениях два фотона. Начальная поляризация фотонов не определена, но в силу симметрии их поляризации всегда противоположны. Это определяет тот факт, что поляризацию фотонов можно узнать только после измерения. Криптосхема на основе эффекта Эйнштейна — Подольского — Розена, гарантирующая безопасность пересылки, была предложена Экертом. Отправителем генерируется несколько фотонных пар, после чего один фотон из каждой пары он откладывает себе, а второй пересылает адресату. Тогда если эффективность регистрации около единицы и на руках у отправителя фотон с поляризацией «1», то у получателя будет фотон с поляризацией «0» и наоборот. То есть легальные пользователи всегда имеют возможность получить одинаковые псевдослучайный последовательности. Но на практике оказывается, что эффективность регистрации и измерения поляризации фотона очень мала.

В 1989 году Беннет и Брассар в Исследовательском центре IBM построили первую работающую квантово-криптографическую систему. Она состояла из квантового канала, содержащего передатчик Алисы на одном конце и приёмник Боба на другом, размещённые на оптической скамье длиной около метра в светонепроницаемом полутораметровом кожухе размером 0,5 × 0,5 м. Собственно квантовый канал представлял собой свободный воздушный канал длиной около 32 см. Макет управлялся от персонального компьютера, который содержал программное представление пользователей Алисы и Боба, а также злоумышленника. В том же году передача сообщения посредством потока фотонов через воздушную среду на расстояние 32 см с компьютера на компьютер завершилась успешно. Основная проблема при увеличении расстояния между приёмником и передатчиком — сохранение поляризации фотонов. На этом основана достоверность способа.

Созданная при участии Женевского университета компания GAP-Optique под руководством Николаса Гисина совмещает теоретические исследования с практической деятельностью. Первым результатом этих исследований стала реализация квантового канала связи с помощью оптоволоконного кабеля длинной 23 км, проложенного по дну озера и соединяющего Женеву и Нион. Тогда был сгенерирован секретный ключ, уровень ошибок которого не превышал 1,4 %. Но все-таки огромным недостатком этой схемы была чрезвычайно малая скорость передачи информации. Позже специалистам этой фирмы удалось передать ключ на расстояние 67 км из Женевы в Лозанну с помощью почти промышленного образца аппаратуры. Но и этот рекорд был побит корпорацией Mitsubishi Electric, передавшей квантовый ключ на расстояние 87 км, правда, на скорости в один байт в секунду.

Активные исследования в области квантовой криптографии ведут IBM, GAP-Optique, Mitsubishi, Toshiba, Национальная лаборатория в Лос-Аламосе, Калифорнийский технологический институт, молодая компания MagiQ и холдинг QinetiQ, поддерживаемый британским министерством обороны. В частности, в национальной лаборатории Лос-Аламоса была разработана и начала широко эксплуатироваться опытная линия связи, длиной около 48 километров. Где на основе принципов квантовой криптографии происходит распределение ключей, и скорость распределения может достигать несколько десятков кбит/с.

В 2001 году Эндрю Шилдс и его коллеги из TREL и Кембриджского университета создали диод, способный испускать единичные фотоны. В основе нового светодиода лежит «квантовая точка» — миниатюрный кусочек полупроводникового материала диаметром 15 нм и толщиной 5 нм, который может при подаче на него тока захватывать лишь по одной паре электронов и дырок. Это дало возможность передавать поляризованные фотоны на большее расстояние. В ходе экспериментальной демонстрации удалось передать зашифрованные данные со скоростью 75 Кбит/с — при том, что более половины фотонов терялось.

В Оксфордском университете ставятся задачи повышения скорости передачи данных. Создаются квантово-криптографические схемы, в которых используются квантовые усилители. Их применение способствует преодолению ограничения скорости в квантовом канале и, как следствие, расширению области практического применения подобных систем.

В Университете Джонса Хопкинса на квантовом канале длиной 1 км построена вычислительная сеть, в которой каждые 10 минут производится автоматическая подстройка. В результате этого, уровень ошибки снижен до 0,5 % при скорости связи 5 кбит/с.

Министерством обороны Великобритании поддерживается исследовательская корпорация QinetiQ, являющаяся частью бывшего британского агентства DERA (Defence Evaluation and Research Agency), которая специализируется на неядерных оборонных исследованиях и активно совершенствует технологию квантового шифрования.

Исследованиями в области квантовой криптографии занимается американская компания Magiq Technologies из Нью-Йорка, выпустившая прототип коммерческой квантовой криптотехнологии собственной разработки. Основной продукт Magiq — средство для распределения ключей (quantum key distribution, QKD), которое названо Navajo (по названию племени индейцев Навахо, язык которых во время Второй мировой войны американцы использовали для передачи секретных сообщений, поскольку за пределами США его никто не знал). Navajo способен в реальном времени генерировать и распространять ключи средствами квантовых технологий и предназначен для обеспечения защиты от внутренних и внешних злоумышленников.

В октябре 2007 года на выборах в Швейцарии были повсеместно использованы квантовые сети, начиная избирательными участками и заканчивая дата-центром ЦИК. Была использована техника, которую ещё в середине 90-х в Университете Женевы разработал профессор Николя Жизен. Также одним из участников создания такой системы была компания Id Quantique.

В 2011 году в Токио прошла демонстрация проекта «Tokyo QKD Network», в ходе которого разрабатывается квантовое шифрование телекоммуникационных сетей. Была проведена пробная телеконференция на расстоянии в 45 км. Связь в системе идёт по обычным оптоволоконным линиям. В будущем предполагается применение для мобильной связи.

Частотный спектр в оптическом канале квантово-криптографической системы.

Широкое распространение и развитие квантовой криптографии не могло не спровоцировать появление квантового криптоанализа, который в ряде случаев обладает, согласно теории, преимуществами перед обычным. Рассмотрим, например, всемирно известный и распространенный в наши дни алгоритм шифрования RSA (1977). В основе этого шифра лежит идея того, что на простых компьютерах невозможно решить задачу разложения очень большого числа на простые множители, ведь данная операция потребует астрономического времени и экспоненциально большого числа действий. Другие теоретико-числовые методы криптографии могут быть основаны на проблеме дискретного логарифмирования. Для решения этих двух проблем был разработан квантовый алгоритм Шора (1994), позволяющий найти за конечное и приемлемое время все простые множители больших чисел или решить задачу логарифмирования, и, как следствие, взломать шифры RSA и ECC. Поэтому создание достаточно крупной квантовой криптоаналитической системы является плохой новостью для RSA и некоторых других асимметричных систем. Необходимо только создание квантового компьютера, способного исполнить необходимый алгоритм.

По состоянию на 2012 год наиболее продвинутые квантовые компьютеры смогли разложить на множители числа 15^[2] (в 150 тыс. попыток верный ответ был получен в половине случаев, в соответствии с алгоритмом Шора^[3]) и 21.

Уязвимость реализаций квантовой системы[править | править код]

В 2010 году учёные успешно опробовали^[4][5] один из возможных способов атаки, показав принципиальную уязвимость двух реализаций криптографических систем, разработанных компаниями ID Quantique и MagiQ Technologies^[6]. И уже в 2011 году работоспособность метода была проверена в реальных условиях эксплуатации, на развёрнутой в Национальном университете Сингапура системе распространения ключей, которая связывает разные здания отрезком оптоволокна длиной в 290 м.

В эксперименте использовалась физическая уязвимость четырёх однофотонных детекторов (лавинных фотодиодов^[en]), установленных на стороне получателя (Боба). При нормальной работе фотодиода приход фотона вызывает образование электронно-дырочной пары, после чего возникает лавина, а результирующий выброс тока регистрируется компаратором и формирователем импульсов. Лавинный ток «подпитывается» зарядом, хранимым небольшой ёмкостью (≈ 1,2 пФ), и схеме, обнаружившей одиночный фотон, требуется некоторое время на восстановление (~ 1 мкс).

Если на фотодиод подавать такой поток излучения, когда полная перезарядка в коротких промежутках между отдельными фотонами будет невозможна, амплитуда импульса от одиночных квантов света может оказаться ниже порога срабатывания компаратора.

В условиях постоянной засветки лавинные фотодиоды переходят в «классический» режим работы и выдают фототок, пропорциональный мощности падающего излучения. Поступление на такой фотодиод светового импульса с достаточно большой мощностью, превышающей некое пороговое значение, вызовет выброс тока, имитирующий сигнал от одиночного фотона. Это и позволяет криптоаналитику (Еве) манипулировать результатами измерений, выполненных Бобом: она «ослепляет» все его детекторы с помощью лазерного диода, который работает в непрерывном режиме и испускает свет с круговой поляризацией, и по мере надобности добавляет к этому линейно поляризованные импульсы. При использовании четырёх разных лазерных диодов, отвечающих за все возможные типы поляризации (вертикальную, горизонтальную, ±45˚), Ева может искусственно генерировать сигнал в любом выбранном ею детекторе Боба.

Опыты показали, что схема взлома работает очень надёжно и даёт Еве прекрасную возможность получить точную копию ключа, переданного Бобу. Частота появления ошибок, обусловленных неидеальными параметрами оборудования, оставалась на уровне, который считается «безопасным».

Однако, устранить такую уязвимость системы распространения ключей довольно легко. Можно, к примеру, установить перед детекторами Боба источник одиночных фотонов и, включая его в случайные моменты времени, проверять, реагируют ли лавинные фотодиоды на отдельные кванты света. Также существует протокол детектор-независимого квантового распределения ключей, доказательство криптостойкости которого не зависит от уязвимости детекторов.

Практически все квантово-оптические криптографические системы сложны в управлении и с каждой стороны канала связи требуют постоянной подстройки. На выходе канала возникают беспорядочные колебания поляризации ввиду воздействия внешней среды и двойного лучепреломления в оптоволокне. Но недавно^{[когда?]} была сконструирована^[кем?] такая реализация системы, которую можно назвать Plug and Play («подключай и работай»). Для такой системы не нужна подстройка, а только синхронизация. Система построена на использовании зеркала Фарадея, которое позволяет избежать двойного лучепреломления и, как следствие, не требует регулировки поляризации. Это позволяет пересылать криптографические ключи по обычным телекоммуникационным системам связи. Для создания канала достаточно лишь подключить приёмный и передающий модули и провести синхронизацию.

Сейчас одним из самых важных достижений в области квантовой криптографии является то, что ученые смогли показать возможность передачи данных по квантовому каналу со скоростью до единиц Мбит/с. Это стало возможно благодаря технологии разделения каналов связи по длинам волн и их единовременного использования в общей среде. Что кстати позволяет одновременное использование как открытого, так и закрытого канала связи. Сейчас^{[уточнить]} в одном оптическом волокне возможно создать около 50 каналов. Экспериментальные данные позволяют сделать прогноз на достижение лучших параметров в будущем:

• достижение скорости передачи данных по квантовому каналу связи в 50 Мбит/с, при этом единовременные ошибки не должны будут превышать 4 %;
• создание квантового канала связи длиной более 100 км;
• организация десятков подканалов при разделении по длинам волн.

На данном этапе квантовая криптография только приближается к практическому уровню использования. Диапазон разработчиков новых технологий квантовой криптографии охватывает не только крупнейшие мировые институты, но и маленькие компании, только начинающие свою деятельность. И все они уже способны вывести свои проекты из лабораторий на рынок. Все это позволяет сказать, что рынок находится на начальной стадии формирования, когда в нём могут быть на равных представлены и те и другие.

1. ↑ Семёнов Ю. А. «Телекоммуникационные технологии»;
2. ↑ Scientists are getting closer to a quantum computer — here’s why it matters / Vox, April 9, 2014 (англ.) «In 2012, a UC Santa Barbara quantum computer made up of four qubits factored the number 15 (its factors are 3 and 5).»
3. ↑ «UCSB Researchers Demonstrate That 15=3×5 About Half of the Time » — UC Santa Barbara News Release
4. ↑ Nature Communicaion «Perfect eavesdropping on a quantum cryptography system» : [1];
5. ↑ Nature Communicaion «Full-field implementation of a perfect eavesdropper on a quantum cryptography system, June 2011» : [2];
6. ↑ http://www.securitylab.ru/news/397300.php 31.08.2010

• Килин С. Я., Хорошко Д. Б., Низовцев А. П. «Квантовая криптография: идеи и практика»;
• Килин С. Я. «Квантовая информация / Успехи Физических Наук.» — 1999. — Т. 169. — C. 507—527. [3];
• Robert Malaney . «Технологии, основанные на принципе ULV (unconditional location verification)» : [4], [5];
• Computerworld Россия , № 37, 2007 [6];
• Красавин В. «Квантовая криптография».
• Румянцев К. Е., Плёнкин А. П. Экспериментальные испытания телекоммуникационной сети с интегрированной системой квантового распределения ключей // Телекоммуникации. 2014. № 10. С. 11 − 16.
• Плёнкин А. П. Использование квантовых ключей для шифрования сетевого соединения // Десятая ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН: Тезисы докладов (г. Ростов-на-Дону, 14 − 29 апреля 2014 г.). — Ростов н/Д: Изд-во ЮНЦ РАН, 2014. — 410 с. — С. 81 − 82.
• Плёнкин А. П. Использование квантового ключа для защиты телекоммуникационной сети // Технические науки — от теории к практике. 2013. № 28. — С. 54-58.
• Румянцев К. Е., Плёнкин А. П., Синхронизация системы квантового распределения ключа в режиме однофотонной регистрации импульсов для повышения защищенности. // Радиотехника. . — 2015. — № 2. — C. 125—134
• Плёнкин А. П., Румянцев К. Е., Синхронизация системы квантового распределения ключа при использовании фотонных импульсов для повышения защищённости // Известия ЮФУ. Технические науки. — 2014. — № 8, — № 157. — С. 81-96.
• Румянцев К. Е., Плёнкин А. П., Безопасность режима синхронизации системы квантового распределения ключей // Известия ЮФУ. Технические науки. — 2015. Т. № 5,- № 166. — С. 135—153.

Квантовые связи

Работа в лаборатории: один из авторов, Кристофер Монро, манипулирует кубитами из атомных ионов с помощью лазеров и удерживает их в ловушке из электромагнитных полей, образованных электродами

В течение двух последних десятилетий ученые предпринимали попытки использовать необычные свойства квантового микромира, чтобы совершить скачок в области обработки информации и коммуникаций. Используя некоторые особенности физики, проявляющиеся в самых малых масштабах природы (то, что электрон одновременно и частица, и волна, что объект может находиться в нескольких местах одновременно и то, что две частицы могут сохранять призрачную мгновенную связь, даже если они удалены друг от друга на значительные расстояния), квантовые машины могли бы сделать немыслимые ранее вычисления, средства коммуникации и методы измерения рутиной. Приведем лишь один пример: квантовый компьютер, вероятно, сможет расколоть не поддающиеся расшифровке коды.

В то же время квантовые машины можно использовать для хранения и передачи информации таким образом, что ее секретность будет гарантирована законами физики. Их можно будет применять также для моделирования процессов в сложных химических и физических системах, которые невозможно отследить никаким другим способом. Квантовые системы, по-видимому, многократно повысят точность самых точных в мире хронометров —атомных часов — и будут служить миниатюрными высокоточными датчиками для измерения свойств химических и биологических систем на атомном или молекулярном уровне с приложениями от биологии и материаловедения до медицины.

Именно из-за огромных потенциальных возможностей такие технологические монстры, как Google и Intel, ряд компаний-стартапов, Министерство обороны и другие правительственные агентства США делают крупную ставку на разработки в этой области. Не менее воодушевлено и американское академическое сообщество: только в 2015 г. три ведущих журнала опубликовали более 3 тыс. научных статей, в которых упоминаются квантовые вычисления или квантовая информация.

Проблема заключается в том, что ученые пока еще не могут построить большую квантовую машину, которая реализовала бы эти надежды. Главная трудность состоит в том, что такой компьютер по определению должен работать в царстве микромира, и в то же время, когда мы пытаемся сделать квантовый компьютер достаточно большим, чтобы с ним можно было работать, проявляется его естественная тенденция — он начинает подчиняться классическим законам макромира.

Квантовый прибор. Электрическая цепь для измерения сверхпроводящих кубитов помещается в покрытую золотом камеру. Эти измерения могут квантово перепутать кубиты в отдельных кластерах, или модулях, позволяя модулям объединяться друг с другом, чтобы образовать единый квантовый компьютер.

Чтобы построить систему, которая подчиняется квантовым законам в большом масштабе и обладает всей мощью квантовой обработки информации, вероятно, потребуется модульный подход, при котором более мелкие заведомо квантовые единицы соединены друг с другом таким образом, чтобы не разрушалась их квантовая природа. В недавней работе не только теоретически, но и на практике был успешно проверен этот так называемый модульный подход в малых масштабах, и это подготавливает почву для реализации уникальных возможностей квантовой механики.

Вероятно, нули и, возможно, единицы

Первое предположение, что квантовый мир можно использовать для создания нового типа мощных компьютеров, в начале 1980-х гг. высказали физик Ричард Фейнман из Калифорнийского технологического института и математик Дэвид Дойч из Оксфордского университета (Первым идею квантовых вычислений в 1980 г. в своей книге «Вычислимое и невычислимое» выдвинул советский математик Юрий Иванович Манин. — Примеч. пер.). Эта гипотеза оставалась спекулятивной на протяжении многих лет, пока в 1994 г. Питер Шор (Peter Shor), в то время работавший в компании AT&T Bell Laboratories, не показал, как квантовый компьютер можно использовать для быстрой факторизации (разложения на простые множители) больших чисел, что разожгло большой интерес к этой области.

Первые примитивные квантовые компьютеры появились в конце 1990-х — начале 2000-х гг., когда ученые построили простые, состоящие из нескольких «битов» системы, построенные на атомах, молекулах или фотонах. Именно особая природа квантовых частиц позволяет квантовым компьютерам добиться огромного превосходства над их классическими собратьями. В отличие от классических вычислений, в которых основная единица информации (бит) принимает определенное значение — «1» или «0», квантовая единица информации (кубит) может существовать одновременно в двух состояниях, то есть может представлять «0» и «1» одновременно.

Кубит, вероятно, может быть «0», но, возможно, и «1», или же с одинаковой вероятностью быть «0» или «1», или любой другой взвешенной комбинацией двух двоичных состояний. Кубит обладает такой властью потому, что квантовая частица может находиться в двух местоположениях или в двух физических состояниях одновременно — явление, получившее название «суперпозиция». Помимо того что кубиты находятся в двух состояниях одновременно, они могут быть связаны друг с другом посредством квантового свойства, называемого «квантовая перепутанность». (У английского термина entanglement нет устоявшегося единого русского эквивалента, и в литературе вы можете встретить самые различные наименования этого явления: «квантовая запутанность», «квантовая нелокальность», «квантовая перепутанность», «квантовая сцепленность», «квантовая зацепленность» и т.д. — Примеч. пер.) Квантовая перепутанность — это способность частиц, удаленных друг от друга в пространстве, сохранять определенную связь друг с другом таким образом, что действие, совершенное над одной из них, мгновенно отражается на другой. Это свойство дает квантовым компьютерам возможность массово-параллельной обработки информации. Когда совокупность кубитов квантово перепутана, простая операция над одним из них может повлиять на состояния всех других кубитов. Даже с помощью всего лишь нескольких кубитов все эти взаимозависимые состояния «0», «1» и их суперпозиции образуют необычайно сложный диапазон возможных исходов. В то время как классический компьютер за один такт может обработать лишь одну возможность, квантовый может проверить все возможные решения задачи одновременно. Всего лишь несколько сотен кубитов могут рассчитать таблицу исходов, количество элементов которой превосходит число всех частиц во Вселенной.

До сих пор ученым в ряде лабораторий удалось создать лишь небольшие квантовые вычислительные системы с числом кубитов, не превышающим 10. Но по мере того как мы добавляем кубиты, становится все труднее оградить систему от внешнего мира — а любые такие воздействия губительны для тех самых свойств, которые делают квантовые компьютеры столь необычными. Квантовая суперпозиция множества состояний может существовать только в изолированной системе. Любая попытка ее преждевременного наблюдения или измерения приведет к их коллапсу в одно из возможных состояний — к выбору одной из возможностей. В этой ситуации квантовая механика перестает работать и кубиты снова превращаются в обычные биты классического компьютера. Другими словами, особые возможности квантовых объектов, как правило, можно наблюдать только в микроскопических системах, и они разрушаются, когда эти объекты становятся полностью связанными большим целым — аналогично тому, как музыкальная группа, играющая в стиле «инди», возможно, больше всего нравится своим фанатам, если о ней слышали лишь немногие. Большие системы обычно слишком сложны и недостаточно изолированы, чтобы вести себя по квантово-механическим законам, — в конце концов, мы ведь не ожидаем, что найдем бейсбольный мяч или даже биологическую клетку в двух местах одновременно.

Три способа построить квантовый компьютер

Компьютеры, которые строятся на базе странных законов квантовой механики, теоретически смогут выполнять вычисления, недоступные для классических компьютеров. Однако чем больше становится квантовый компьютер, тем труднее сохранить его квантовые свойства. Ученые полагают, что решение проблемы — построить множество небольших квантовых компьютеров и соединить их вместе в одно большее целое: стратегия, получившая название «модульные квантовые вычисления». В боксах справа показаны три потенциальные модульные схемы, использующие три различных типа квантовых битов или кубитов.

Квантовое свойство 1: суперпозиция

Атомы и субатомные частицы могут существовать во множестве состояний одновременно — состояние, называемое суперпозицией. Если классический объект, такой как бильярдный шар, может вращаться одновременно лишь в одном направлении, квантовые частицы могут находиться в двух «спиновых состояниях» — как со спином, направленным вверх, так и со спином, направленным вниз, — одновременно. Используя это свойство, квантовые компьютеры, вероятно, смогут анализировать множество возможных решений задачи в одно и то же время.

Квантовое свойство 2: квантовое перепутывание

Альберт Эйнштейн назвал его призрачным дальнодействием: квантовое перепутывание позволяет двум частицам выстроить такую связь, что действие, совершенное над одной из них, мгновенно влияет на другую, даже если они удалены друг от друга в пространстве. На рисунке внизу квантово перепутанные частицы сначала находятся в суперпозиции состояний со спином вверх и вниз. Когда внешнее измерение заставляет частицы «выбрать» единственное состояние, обе частицы всегда придут в скоординированные друг с другом состояния. В зависимости от типа квантового перепутывания если первая частица находится в состоянии со спином вверх, то вторая всегда будет находиться в состоянии со спином вниз. Когда квантово перепутываются множество кубитов, операция, проводимая над одним, мгновенно скажется на других, открывая возможность беспрецедентно масштабной параллельной обработки информации.

Способ №1: Атомные ионные кубиты

Самый простой способ построить модульный квантовый компьютер — использовать в качестве кубитов отдельные атомы. Каждый атом может представлять значение «0» или «1» двоичного кода (или их суперпозицию) посредством различных электронных орбит (вверху). Внизу схематическое изображение трех модулей — квантовых миникомпьютеров, состоящих из пяти атомных ионов каждый, — соединенных таким образом, чтобы сохранить квантовые свойства каждого из модулей. Внутри каждого модуля все пять ионов квантово перепутаны друг с другом. Два иона на концах (белого цвета) — особого рода и могут испускать фотоны для связи с другими модулями.

Способ №2: Сверхпроводящие кубиты

В другой стратегии построения квантового компьютера в качестве кубитов используются «искусственные атомы», представляющие собой сверхпроводящие цепи. Эти кубиты — электрические цепи, которые могут принимать значение «0» или «1» в зависимости от наличия или отсутствия СВЧ-фотона или переменного электрического тока, текущего по цепи. (Когда кубит находится в состоянии суперпозиции, фотон может быть там и одновременно может не быть.) Внутри каждого модуля кубиты могут быть квантово перепутаны непосредственно друг с другом посредством захваченных фотонов. Эти фотоны могут также быть посланы по оптическим волокнам, чтобы связать каждый модуль с другими.

Способ №3: Твердотельные квантовые кубиты

Третий вариант — сделать кубиты из дефектов в твердом теле, таком как алмазная кристаллическая решетка, состоящая из атомов углерода. Если один из атомов углерода в решетке заменить на атом азота, а место по соседству оставить пустым, получится дефект, называемый центром «азот — вакансия» (или NV-центром). NV-центр и окружающие его атомы углерода все становятся кубитами, и их спиновые состояния представляют собой «0» или «1». Каждый кластер дефектов в кристаллической решетке — это отдельный модуль, а сами модули можно соединить друг с другом посредством оптических фотонов.

Модульные квантовые системы

Перед учеными стоит трудная задача — масштабировать систему, не утратив при этом ее квантовой природы. Использование «грубой силы» для построения больших квантовых систем путем простого добавления новых кубитов и объединения их в единую сеть скорее всего потерпит неудачу. Это предсказание подкреплено судьбой машин, разработанных канадской фирмой D-Wave Systems, которая соединила вместе несколько сотен или даже тысяч отдельных кубитов. Хотя представители компании утверждают, что их устройства бьют рекорды скорости выполнения классических алгоритмов, мы не обнаружили ни одной публикации с данными, которые свидетельствовали бы о квантовом перепутывании в большом масштабе или о преимуществах в скорости обработки информации такими системами.

Однако модульная методика подсказывает нам другой путь к цели. Это техническое решение сродни стратегии, которую коммерческие авиакомпании используют для того, чтобы справиться с проблемами обслуживания клиентов. В следующий раз, когда вы полетите на самолете, рассмотрите внимательнее заднюю обложку рекламного журнала авиакомпании, предлагаемого пассажирам на борту самолета. Карта маршрутов компании дает грубое представление о том, как мог бы выглядеть полномасштабный квантовый компьютер. Авиакомпании не в состоянии соединить каждый город непосредственно с каждым другим отдельной авиалинией, поскольку логистика и накладные расходы в этом случае были бы непомерно большими. Вместо этого они используют центральные пересадочные узлы для организации сети непрямых сообщений. Жертвуя достоинствами непосредственной связи, взамен они получают возможность расти и обслуживать большую сеть аэропортов.

Аналогично в модульном квантовом компьютере не предусмотрено соединение каждого кубита с каждым. Вместо этого несколько кубитов в нем будут использованы как ядра сети, через которые будут подсоединяться отдельные модули, сродни тому как Атланта служит пересадочным пунктом, соединяющим юго-восток США с остальными регионами. Модульные сети помогут сохранить число взаимодействий между кубитами в количестве, позволяющем успешно ими управлять, и в то же время такая архитектура позволит каждому модулю оставаться защищенным от внешних влияний. Они компенсируют необходимость пожертвовать преимуществом непосредственных связей между кубитами, давая взамен возможность взаимодействовать через посредника тысячам или даже миллионам кубитов. Но в отличие от традиционных модульных систем, таких как многоядерные процессоры компьютеров, в которых для связи как внутри процессоров, так и процессоров между собой используется одинаковый тип проводников, чтобы получить необходимое квантовое перепутывание и в то же время сохранить изоляцию между модулями, модульная квантовая система, возможно, потребует два или даже более различных типов связи. В минувшем десятилетии возникли три основные модульные квантовые стратегии, использующие различные типы кубитов.

Трое из нас независимо друг от друга разрабатывают эти платформы, и мы верим, что они приживутся в более крупных квантовых компьютерах, которые откроют возможность применить новые виды обработки информации.

Атомные кубиты

Наиболее естественный тип кубита — одиночный атом, чьи электронные или ядерные энергетические уровни (иногда называемые спиновыми состояниями) хранят квантовую информацию. Атомные кубиты по самой своей природе поддаются масштабированию, поскольку многочисленные атомы одного и того же вида фактически идентичны и не требуют никаких дополнительных настроек, чтобы походить друг на друга. Лазерные пучки могут охладить атомы до почти неподвижного состояния, замораживая их путем передачи импульса от атома рассеянному лазерному излучению. Мы научились все это проделывать, подвешивая атомы внутри пустого пространства вакуумной камеры, чтобы защитить их от любого внешнего воздействия.

Нейтральный или заряженный атом (ион) может служить кубитом. Чтобы удержать нейтральные атомные кубиты, мы используем сфокусированные лазерные пучки, вернее несколько взаимопересекающихся лазерных пучков, образующих так называемую оптическую решетку. Десятки научных групп во всем мире применяют этот метод. Хотя управлять нейтральными атомами и связывать их на уровне одного кубита — задача не из легких, существует несколько многообещающих путей, позволяющих это сделать. В качестве альтернативы многие группы используют положительно заряженные ионы — атомы с одним недостающим электроном.

Ионы отталкиваются друг от друга в результате действия электростатических сил, и их невозможно удержать в электростатическом поле, образованном электродами. Мы можем охладить с помощью лазерного излучения сотни удерживаемых ионов в форме стационарной кристаллоподобной структуры из отдельных атомов, которые ведут себя как идентичные друг другу маятники, соединенные пружинками. Дополнительные управляющие лазеры могут раскачивать ионы таким образом, что их спиновые состояния окажутся квантово перепутанными в результате колебаний ионов, — схема, впервые предложенная в 1995 г. физиками из австрийского Инсбрукского университета им. Леопольда и Франца Игнасио Сираком (Ignacio Cirac) и Петером Цоллером (Peter Zoller). За минувшую два десятилетия ученые совершили поразительный прорыв в управлении отдельными кубитами из удерживаемых ионов и их квантовом перепутывании таким методом. Недавно группы под руководством одного из нас (Кристофера Монро), Дэвида Уайнленда (David J. Wineland) из Национального института стандартов и техники и Райнера Блатта (Rainer Blatt) из Инсбрукского университета продемонстрировали успешные эксперименты по квантовому перепутыванию 20 кубитов на захваченных ионах.

Ученые исследовали два способа соединить модули, полученные на таких квантово перепутанных ионных кристаллах. Первый — физически переместить несколько ионных кубитов в пространстве от одного модуля к другому, заставив их пройти через сложный лабиринт электродов (метод, предложенный в 2000 г. Монро совместно с Дэвидом Кильпинским (David Kielpinski), в то время работавшим в Национальном институте стандартов и техники). Ионы можно заставить скользить через пространство вместе с волной электрического поля так, чтобы не нарушать состояния их кубитов. Когда ионы коснутся второго модуля, с помощью импульса лазера можно индуцировать формирование новых квантовых перепутываний. Два модуля, скажем, по 50 кубитов каждый становятся частью одного вычислительного регистра, а это означает, что теперь совместно работают 100 кубитов, хотя и слабо связанные. Теоретически предела количеству модулей, которые можно соединить таким способом, получившим название «метод ионного челнока», не существует.

Трудность такого метода заключается в сложности управления хитроумными ионными ловушками, которые состоят из сотен тысяч точно расположенных электродов, с помощью которых ионы перемещаются туда и обратно. Мы должны уметь манипулировать всеми необходимыми напряжениями на электродах, чтобы заставить ионы скользить по лабиринту из этих электродов. Значительные усилия по изготовлению электродов ионной ловушки из кремния или других полупроводниковых материалов способом, позволяющим масштабирование, прилагаются сегодня в Сандийских национальных лабораториях и в компании Honeywell.

Второй метод, обеспечивающий связь ионных кубитных модулей, позволяет оставить атомы на месте. В нем для того, чтобы заставить ионы испустить фотоны, которые квантово перепутаны с ионами, используются лазеры. Эти фотоны могут затем перенести квантовое перепутывание между модулями. Такой тип фотонного квантового интерфейса произрастает из идеи, впервые высказанной почти 20 лет назад учеными Инсбрукского университета, Калтеха и Гарвардского университета и продемонстрированной десять лет назад Монро. Техника фотонной связи имеет громадное преимущество, позволяя нам связать воедино кубитную память, элементы которой могут быть удалены на значительное расстояние, к тому же она может быть применена и к другому типу кубитов, такому как нейтральные атомы, а также сверхпроводящим и полупроводниковым кубитам, речь о которых пойдет ниже. Более того, мы можем масштабировать фотонные связи между модулями посредством волоконно-оптических сетей и коммутаторов, которые помогут нам управлять тем, какие из кубитов следует квантово перепутать. Основное препятствие на этом пути состоит в том, что фотонная связь кубитов, как правило, недостаточно эффективна, поскольку требует захвата и точного направления этих фотонов. Чтобы установить успешную связь, может потребоваться много попыток. Наилучшая скорость, достигнутая на сегодня, — десять связей квантового перепутывания в секунду. Однако развитие существующей технологии сулит увеличение этой скорости на несколько порядков величины.

Сверхпроводящие кубиты

Хотя атомы и могут быть использованы в качестве естественных кубитов, задача управления и масштабирования их в более крупные системы таит в себе ряд инженерных проблем. Альтернативная стратегия — создать «искусственный атом», используя электрические цепи из сверхпроводящих материалов. Эти устройства состоят из многих атомов, но могут вести себя как простые управляемые кубиты, в которых присутствие или отсутствие одного СВЧ-фотона или направление тока в цепи по часовой стрелке или против нее соответствует состояниям «0» или «1». Такие квантовые цепи обладают определенным преимуществом. Мы можем задавать их свойства на этапе конструирования и серийно изготавливать их с помощью технологических процессов, используемых в современной микроэлектронике для производства обычных интегральных схем. Но, что замечательно, когда они работают при температуре, близкой к абсолютному нулю, они могут находиться в состоянии суперпозиции достаточно долго, чтобы служить полноценным кубитом. За последние 15 лет время жизни таких систем удалось увеличить более чем в миллион раз.

В прошлом десятилетии в ходе работы над сверхпроводящими квантовыми цепями удалось добиться быстрого прогресса, продемонстрировав различные необходимые для квантового компьютера характеристики. Ученые во многих университетских лабораториях, а также такие участники высокотехнологического рынка, как Google и IBM, сегодня научились манипулировать несколькими сверхпроводящими кубитами и квантово перепутывать их. С помощью метода, получившего название «квантовая электродинамика электрических цепей», основоположником которого стал один из нас (Роберт Шелькопф) совместно со своими коллегами из Йельского университета Мишелем Деворе (Michel H. Devoret) и Стивом Гирвином (Steve Girvin), мы даже можем квантово перепутать кубиты на больших расстояниях, используя сверхпроводящие передающие линии.

Сверхпроводящие приборы естественным образом допускают модульную архитектуру. Мы можем соединить модули и измерительные устройства внутри большого криогенного прибора с помощью сверхпроводящих проводников и в то же время уменьшить перекрестное влияние и помехи между отдельными модулями, экранировав их друг от друга. Чтобы вызвать квантовое перепутывание между модулями, ученые в Йеле, в ОИЛА Университета Колорадо в Боулдере (Объединенный институт лабораторной астрофизики (ОИЛА) был основан в 1952 г. С тех пор область исследований, проводимых там, значительно расширилась и сегодня помимо астрофизики включает атомную и молекулярную физику, оптику, биофизику, квантовую информацию, точные измерения и многое другое, но акроним остался прежним. — Примеч. пер.), в Калифорнийском университете в Беркли и в других лабораториях разработали специальные сверхпроводящие приборы для квантовых измерений. Модульный подход в приложении к сверхпроводящим кубитам имеет несколько привлекательных особенностей. Вместо того чтобы строить и тестировать гигантскую электрическую цепь, нам требуется лишь в массовых количествах производить и калибровать более простые модули, а затем усложнять машину, добавляя модуль за модулем.

Мы можем заменить или обойти дефектные модули и перекоммутировать электрические цепи, соединяющие модули, чтобы выстроить другую архитектуру. В настоящее время ведется также работа по разработке квантовых преобразователей, трансформирующих СВЧ-сигнал в оптический, чтобы затем соединить удаленные модули с помощью оптического волокна и создать таким образом квантовые сети большой дальности или распределенный квантовый компьютер.

Твердотельные спиновые кубиты

Наконец, третий тип кубитов, в которых информация кодируется в виде спиновых состояний твердых тел. Существуют различные модели этого типа кубитов, но многообещающий метод, разрабатываемый одним из нас (Михаилом Лукиным), а также большим числом других групп, для получения кубитов использует дефекты в кристаллах. Одна из таких систем — состоящая из атомов углерода кристаллическая решетка алмаза, в которой один из атомов углерода замещен на атом азота, а расположенный рядом узел пуст, — дефект, называемый центром «азот — вакансия» (NV-центр). Электромагнитные импульсы могут управлять спином электронов этой атомоподобной примеси. В методе, впервые предложенном Лукиным с коллегами, NV-центр воздействует на ядерные спины своих ближайших соседей — атомов углерода, формируя группу соседних кубитов, образованных в результате магнитного взаимодействия между частицами. Однако число атомов углерода — ближайших соседей дефекта «азот — вакансия» можно сосчитать по пальцам, что ограничивает суммарное число кубитов на один модуль менее чем дюжиной.

Задача масштабирования требует соединения вместе множества модулей. Если кубиты расположены в различных кристаллических решетках, мы можем связать их, заставив каждый кубит испустить фотон, а затем измерить фотоны. В случае если несколько NV-центров расположены внутри одной алмазной решетки, мы также можем по пытаться установить между ними связь, воспользовавшись квантовыми колебаниями, называемыми фононами, которые могут переносить квантовую информация между примесями.

Примечательно, что, хотя манипулирование информацией, закодированной в кубитах этих NV-центров, необычайно сложно, часто мы можем проделывать все это в обычных условиях при комнатной температуре. Методы наблюдения одиночного NV-центра, предложенные в минувшем десятилетии Йоргом Врахтрупом (J rg Wrachtrup) из Штутгартского университета и Федором Железко, в настоящее время работающим в Университе-те Ульма (Федор Борисович Железко — выпускник Белорусского государственного университета, после защиты в 1998 г. кандидатской диссертации эмигрировал в Германию, в настоящее время — директор Института квантовой оптики Университета Ульма. — Примеч. пер.), позволили ученым работать с отдельными кубитами электронных спинов. Группа под руководством Давида Авшалома (David Awschalom) из Чикагского университета смогла манипулировать этими кубитами на наносекундной шкале, что сравнимо со скоростью современных классических процессоров.

Недавно в голландском Дельфтском техническом университете Рональд Хансон (Ronald Hanson) с коллегами квантово перепутали кубиты одиночных NV-примесей, удаленных друг от друга на расстояние более одного километра, воспользовавшись квантово перепутанными фотонами, аналогично фотонному методу, позволяющему связать ионы, о котором было рассказано ранее. Пока этот процесс не очень эффективен (в эксперименте в Дельфте связи квантовой перепутанности устанавливаются со скоростью всего лишь несколько раз в час), но недавно в Гарвардском университете и в Массачусетском технологическом институте придумали новые методы с использованием нанооптических устройств, позволяющие в значительной степени его ускорить. А поскольку мы уже имеем инструменты, позволяющие сформировать несколько кубитов вокруг одиночного дефекта алмазной решетки и сохранять их в течение более чем секунды в сверхчистых кристаллах, таких, какие выращивает компания Element Six, NV-центры демонстрируют огромный потенциал для масштабируемой модульной архитектуры квантового компьютера.

Квантовое будущее

В результате более чем 20 лет исследований и разработок в этой области ученые экспериментально проверили все описанные выше подходы к модульному квантовому компьютеру в небольших масштабах. Ожидающая нас задача — распространить эти методы на более крупные конгломерации кубитов и модулей и начать использовать их для интересных приложений. Мы полагаем, что сегодня эта цель уже не за горами.

Квантовое будущее одновременно и заманчиво, и таит множество проблем. По мере того как квантовые машины будут становиться все больше, управлять ими и контролировать то, что в целом система действительно ведет себя квантово-механически, станет все труднее. К счастью, модульная архитектура позволяет нам проверить и оценить работу отдельных модулей и различных связей между ними независимо друг от друга, не нарушая работы всей системы в целом. Ученые недавно проделали важные шаги в направлении к этой цели.

Но модульные квантовые компьютеры даже относительно скромного масштаба, по всей видимости, дадут нам возможность решать уникальные задачи. Они естественным образом станут хребтом «квантового Интернета», состоящего из небольших квантовых процессоров, объединенных с помощью квантово перепутанных оптических фотонов. Они смогут служить ретрансляторами, которые раздвинут географические рамки безопасных квантовых систем связи (в настоящее время ограниченные примерно 100 км, поскольку фотоны затухают в стандартных волоконно-оптических линиях) до континентальных расстояний.

Элементы модульных квантовых машин уже начинают включать в некоторые самые точные в мире хронометры, и, как ожидается, их роль будет расти в новом поколении оптических атомных часов, основанных на нейтральных атомах и ионах. Ученые предложили построить глобальную квантовую сеть таких часов, чтобы создать единую международную шкалу времени, или, грубо говоря, «всемирные часы», которые будут работать с беспрецедентными стабильностью и точностью.

Миниатюрная квантовая сеть могла бы служить также высокоточным датчиком электромагнитных полей и температуры в сложных химических и биологических системах на нанометровой шкале. Например, ученые воспользовались электронным и ядерным спинами, связанными с примесями в твердых телах, чтобы добиться магнитно-резонансной визуализации с разрешением в одиночный атом. Этот метод, вероятно, можно будет использовать для непосредственного наблюдения отдельных молекул, что даст необычайно мощный инструмент фундаментальной биологии и материаловедению, а также новые средства медицинской диагностики и поиска новых лекарств.

Пришло время перестать задавать вопрос, возможен ли квантовый компьютер, и начать фокусировать деятельность на разработке его крупномасштабной архитектуры и на том, что он способен делать. Истина заключается в том, что никто не знает, как квантовые компьютеры изменят наш мир. Но с наступлением эпохи сетей модульных квантовых компьютеров мы оказались на пороге перемен.

Авторы статьи:

Михаил Лукин — выпускник факультета физической и квантовой электроники Московского физико-технического института (1993), профессор физики Гарвардского университета и содиректор Объединенного центра по изучению ультрахолодных атомов Массачусетского технологического института и Гарвардского университета. Он внес пионерский вклад в несколько областей квантовых вычислений, коммуникаций и метрологии.

Кристофер Монро — профессор физики Мэрилендского университета и научный сотрудник Объединенного института квантовой физики. Вот уже более 20 лет он работает на переднем фронте техники квантовой информации.

Роберт Шелькопф — профессор физики Йельского университета и директор Йельского института квантовой физики. Он и его сотрудники в Йеле занимают лидирующие позиции в разработке твердотельных квантовых битов (кубитов) для квантовых вычислений.

Источник: Журнал «В мире науки», за [07] июль 2016 года

Почему количество кубитов – «лажа», а квантовая связь действует только на коротких дистанциях

Мы стали свидетелями второй квантовой революции, считает профессор физики Александр Львовский. Он аргументирует это тем, что человечество научилось управлять квантовыми системами на единичном уровне.

Тогда почему квантовый компьютер до сих пор не появился у каждого на столе и не воспроизводит музыку из «ВКонтакте» по невзламываемой квантовой линии связи? Об этом, а также о развитии российской науки и о том, что «круче» – технология блокчейна или квантов, – профессор рассказал лично.

Александр Львовский – д-р философии, профессор физического факультета Университета Калгари, член научного совета Российского квантового центра (РКЦ), редактор журнала Optics Express, популяризатор квантовой науки.

Интервьюер: Илья Лопатин
Респондент: Александр Львовский

Сегодня квантовый компьютер можно купить за 10+ млн долларов, что и сделала, например, Google. При том что подобный компьютер эффективен только в решении узконаправленных задач. На что рассчитывают покупатели, готовые выложить такую сумму?

Google купила «квантовый компьютер» канадской фирмы D-Wave. Это не универсальный квантовый компьютер, а так называемый quantum annealer – «квантовый отжигатель». Многие мои коллеги – специалисты-теоретики в области квантовой кибернетики – считают, это этот аппарат не имеет преимуществ перед классическим. Хотя Google и D-Wave показывают примеры конкретных задач, которые с помощью этого аппарата решаются быстрее, чем на обычном, классическом компьютере, оппоненты утверждают, что это потому, что классические алгоритмы просто не оптимальны. Другими словами, преимущество – иллюзия, возникающее в связи с тем, что мы не выжимаем из классического «железа» всё, на что оно способно.

Короче, идут научные споры. Мы, простые обыватели, от них выиграем в любом случае: либо у нас появятся квантовые компьютеры, либо значительно улучшатся классические алгоритмы.

А пока эти споры не разрешились, вопрос, есть ли у этого компьютера теоретическое преимущество перед классическим в принципе, отходит на второй план. Если с помощью этого аппарата здесь и сейчас можно решить задачу в сто или миллион раз быстрее, чем на классическом компьютере, то почему бы её так не решить?

Инвесторы вкладываются во многие проекты. Проект квантового компьютера – это high risk high gain. Понятно, что из этого может ничего не выйти, но если выйдет – выхлоп будет колоссальный (тысячи, а то и десятки тысяч процентов). Поэтому в среднем, по матожиданию, проект получается выигрышный, привлекательный для инвестиций.

В Гарварде создали 51-кубитный компьютер. Скажите, это относится ко второй квантовой революции или еще к первой?

Вторая квантовая революция – это способность управлять сложными запутанными квантовыми системами на уровне их индивидуальных компонентов (ионов, фотонов, атомов). Это основное отличие от первой квантовой революции – изобретения макроскопических устройств, которые, хотя и используют квантовую физику в основе своей работы, не способны к индивидуальному контролю. Транзисторы и лазеры привели к появлению интегральных микросхем, компьютеров, Интернета, мобильной связи – в общем, сделали мир таким, каким мы его знаем сейчас. А от второй квантовой революции мы ждём ещё большего!

Гарвардский эксперимент – безусловно, элемент второй квантовой революции. Однако это не квантовый компьютер, а так называемый квантовый симулятор. Другими словами, это не вычислительное устройство, а некая физическая система, позволяющая эмулировать более сложные физические системы, в частности, физику твёрдого тела.

Устройство, созданное в Гарварде. Проект возглавляли Михаил Лукин и Маркус Грейнер из Гарвардского университета, а также Владан Вулетич из MIT

Что ограничивает рост количества кубитов при создании квантовых компьютеров? Откуда возникают цифры 5, 50, 2000? Состоит ли проблема именно в количестве кубитов?

Да, все меряются количеством кубитов… На самом деле – это лажа, потому что важно не количество, а качество. Современные кубиты крайне «непрочные»: они взаимодействуют с окружающим миром и теряют свою квантовую информацию очень быстро. С их помощью нельзя осуществлять даже самые простые квантовые вычисления. Для этого нужно сначала сделать то, что мы называем логическим кубитом, который может бесконечно долго поддерживать квантовую информацию путём коррекции ошибок. Для того чтобы сделать один логический кубит, необходимы десятки или даже сотни физических.

В классических компьютерах тоже такое есть. Там постоянно происходят ошибки, и если их не корректировать, то информация будет пропадать мгновенно. Но поскольку там есть алгоритмы коррекции, то мы не видим ошибок. Мы видим, что информация хранится бесконечно долго.

В квантовых вычислениях пока такой технологии нет, потому что качество физических кубитов недостаточно для реализации даже одного логического. Поэтому все разговоры о количестве кубитов надо воспринимать аккуратно.

Мы регулярно слышим о запуске квантовой линии связи, основанной на квантовой запутанности. Насколько она применима с коммерческой точки зрения?

Бóльшая часть современных квантовых линий связи не основывается на квантовых запутанностях. Это хорошо, потому что запутанность – довольно сложное явление: его трудно получить и применить. Современная квантовая связь, как правило, использует слабые лазерные импульсы – такие, что в каждом отдельном импульсе содержится в среднем меньше одного фотона. Иногда один фотон проскакивает, тогда на нём можно записать какую-то информацию и переслать на какое-то расстояние. В таком случае можно быть уверенным, что если этот фотон кто-то украдёт, то у него не получится воспроизвести его в таком же квантовом состоянии. На этом основана секретность квантовой коммуникации.

Проблема современной квантовой связи в том, что она действует только на коротких дистанциях. Почему? Потому что потери в волоконных линиях порядка фактора двойки на 10-15 км. Это означает, что, к примеру, в линии из Москвы до Петербурга лишь один из 10¹⁸ – миллиарда миллиардов – импульсов достигнет своего назначения. С такой скоростью, конечно, невозможно передавать разумные объёмы информации.

В обычной, классической линии связи тоже присутствует эта проблема, но она решается с помощью повторителей или усилителей. Каждые несколько десятков километров ставится усилитель, который повышает уровень оптического сигнала до первоначального. С квантовой линией этого сделать нельзя, потому что такой усилитель будет не отличим от шпиона: он изменяет фотоны и делает такие же. Поэтому нужно изобретать другую технологию – так называемый квантовый повторитель. Чтобы его реализовать, как раз и нужна квантовая запутанность. Точнее, два явления – квантовая телепортация и квантовая оптическая память.

Почему блокчейн уязвим перед квантовыми технологиями?

В блокчейне используется криптографическая хеш-функция: каждый последующий блок содержит хеш-функцию предыдущего, благодаря чему сейчас невозможно изменить информацию, хранящуюся в одном из блоков, не нарушая целостности всей цепочки. Квантовый компьютер может сделать вычисление хеш-функции обратимым, то есть сможет подобрать изменение в блоке таким образом, чтобы хеш не изменился.

Есть и ещё одна уязвимость, характерная именно для криптовалют: цифровая подпись. Любой, у кого есть квантовый компьютер, сможет цифровую подпись подделать, то есть, например, сделать себе крупный денежный перевод от имени какого-нибудь миллиардера, используя его цифровую подпись. Таким образом, как только будет изобретен универсальный квантовый компьютер, у биткоина, да и у всех современных криптовалют стоимость сведётся к нулю.

Недавно мы в Российском квантовом центре придумали способ устранить эти уязвимости, применяя технологию квантовой коммуникации к блокчейнам. Я думаю, что, безусловно, блокчейны и криптовалюты имеют будущее – просто они будут меняться и синтезироваться с квантовыми технологиями в процессе развития.

Предположим, физики зашли в тупик в исследовании микромира. Что произойдёт быстрее – приход человека к пониманию, что дальше он ничего не понимает и не изобретёт, или невозможность профинансировать глобальный суперпроект, который окажется в 10 раз дороже адронного коллайдера?

Я считаю, что за ХХ век физика ушла далеко вперёд по сравнению с другими науками. Развитие науки всегда диктовалось практическим применением. А сейчас уровень знаний физики на много порядков выше, чем то, что можно использовать на практике. Можно ли узнать ещё больше? Безусловно, но для этого действительно надо либо гигантские телескопы, либо дорогостоящие ускорители строить. Вопрос – а зачем? Праздное любопытство?

Поэтому мне кажется, что в XXI веке физика замедлит свое развитие и уступит таким наукам, как кибернетика и биология, потому что в этих науках тайны прямо перед нашим носом: как устроены клетки, как лечить болезни, наследственность и т.д. В технологических вопросах – кибернетика на стыке с биологией. Как работает мозг, как мы мыслим, как заставить машину мыслить, как человек? Эти научные задачи чрезвычайно интересные и актуальные, а главное – их решение позволяет разрабатывать реальные продаваемые приборы, которые улучшат жизнь людей.

В одном из своих интервью вы заметили, что развитие отечественных ученых тормозит изоляция в НИИ. Справедливо ли это высказывание для зарубежной науки? Или это касалось только науки в России?

Российская научная система – наследие советской, которая была заточена под холодную войну. В те времена она хорошо выполняла свои функции: советская наука котировалась в мире на высочайшем уровне. А когда холодная война закончилась, резко ослабла государственная поддержка науки, уменьшилось её финансирование. В итоге российская наука унаследовала от советской не лучшие, а худшие черты – в частности, свою изоляцию. Люди многие годы занимаются одним и тем же, очень слабо взаимодействуют с окружающим миром и с мировой наукой. Одна из причин – российский учёный получает постоянную позицию на раннем этапе своей карьеры. К примеру, аспиранту гарантировано рабочее место до конца жизни. Получается, что нет смысла узнавать что-то новое, доказывать миру, что ты чего-то стóишь – можно сидеть в этом НИИ, получать небольшую зарплату и жить, как обычный человек.

В этом плане мне больше нравится подход международной науки, где человек до 30-40 лет не имеет постоянной позиции. В результате он мотивирован продолжать поиски, работать. Если учёный перестанет выдавать что-то новое на-гора – он просто окажется на помойке. Да, такой прессинг – это неприятный двигатель, но это двигатель не только человека, а самой науки.

Кроме того, в зарубежной системе человек, как правило, осуществляет различные этапы своей карьеры – до получения постоянной позиции – в разных группах, университетах, зачастую в разных странах. В итоге каждый является носителем уникального опыта и уникальных идей, которые может синтезировать, как никто другой.

Онлайн-образование может быть эффективно как альтернативный источник знаний?

Я считаю, что онлайн-образование – это будущее образования. Я сам сейчас осваиваю машинное обучение по онлайн-курсам. Метод хорошо работает – готов сам засвидетельствовать эффективность.

В институте стоит лектор в аудитории на 200 человек, что-то вещает, а студенты спят. Какой в этом смысл? Происходит передача информации в одну сторону, без обратной связи.

Понятно, что без лекций не обойтись. Но тогда почему бы не найти самого лучшего лектора в мире, который будет читать онлайн не для 200 человек, а для 20 тысяч человек. Слушатель может остановить его лекцию в любой момент, обдумать; послушать материал, когда удобно, когда есть настроение. Роль профессора и преподавателя в университете изменится: это уже будет не вещание, а интерактивное образование – семинары, на которых студент может непосредственно пообщаться с преподавателем, перенять его опыт и получить ответы на свои вопросы.

Онлайн-образование эффективно в сочетании с очным. Я надеюсь, что концепция изменится именно в эту сторону: больше взаимодействия, а лекции – в онлайн.

Какая у вас мотивация выступать с публичными лекциями?

Это имеет отношение к теме изоляции, о которой вы спрашивали. Учёный вообще имеет тенденцию запираться в своей комфортной башне из слоновой кости – исследовать то, что интересно ему и двум-трём людям во всём мире, публиковать статьи, которые только эта пара-тройка и прочитает. Вариться в своём соку. А если мы такими становимся, перестаём общаться с миром, то какая от нас польза? Поэтому считаю, что наша обязанность – нести науку в массы. Не только ради альтруистической цели народного просвещения, но и чтобы не забывать спрашивать себя, какую пользу несёт наша деятельность прогрессу и человечеству.

О чём будет ваша научно-популярная лекция на Quantum Technology Conference 1 марта?

В первой части лекции скажу пару слов об основах квантовой физики на основе фотонов – элементарных частиц света. А ещё о квантовых парадоксах. Мне интересна эта тема. Она показывает, насколько удивительна квантовая физика, насколько невероятные последствия имеют кажущиеся простыми изменения в концепции мира.

Вторая часть выступления будет посвящена примерам квантовых технологий: квантовым вычислениям, квантовой криптографии, квантовой хронометрии и датчикам.