Состояние науки: Как создаются щит и меч квантовой физики



«Афиша» пообщались с одним из ведущих специалистов Российского квантового центра и узнала, что происходит на переднем крае квантовой физики.

Юрий Курочкин, кандидат физико-математических наук, руководит разработкой проекта по квантовым коммуникациям в РКЦ. Этой весной Газпромбанк вложил в проект 230 млн рублей, чтобы защитить свои данные от взлома и прослушивания благодаря технологии квантовой криптографии. «Афиша» посетила лабораторию Курочкина, разобралась в базовых принципах квантовой криптографии, а также представила, как будет выглядеть квантовый компьютер.

Вторая квантовая революция

«Кажется, что квантовая механика — наука о чем-то очень маленьком, но на самом деле ее роль в нашей жизни огромна, она окружает нас везде. Вот вы держите в руках телефон, основанный на полупроводниковых технологиях. Он не работал, если бы мы не знали квантовую физику. Материалы, покрытия, экран вашего телефона — все так или иначе связанно с ней. 

Самые громкие открытия в квантовой механики датируются первой половиной XX века, когда появилась атомная бомба, — она и стала ее основным двигателем. Потом появились лазеры, транзисторы — все это начало менять нашу жизнь. Наука, разумеется, не остановилась, и сейчас она двигается в сторону миниатюризации. Тридцать лет назад никто не мог даже помыслить о возможностях современных смартфонов. Всем известензакон Мура, по которому вычислительные мощности компьютеров со временем вырастают в 2 раза. Если продлить эту прямую, то получается, что очень скоро транзисторы достигнут атомарных размеров. Но работать они перестанут еще раньше, когда начнут вести себя непредсказуемо. По этой причине нам и нужно научиться работать с одиночными частицами — квантами. Сейчас фактически формируется новая индустрия. Как в середине XX века с появлением лазеров и транзисторов начала зарождаться современная IT-индустрия, точно так же квантовые технологии формируют новую индустрию. Происходит так называемая вторая квантовая революция».

Оптический стол в лаборатории РКЦ, на котором проводят эксперименты с фотонами

Оптический стол в лаборатории РКЦ, на котором проводят эксперименты с фотонами

Что такое квантовый компьютер

«Квантовые объекты на самом деле очень сильно отличаются от привычных нам. Квантовая частица может одновременно находиться в двух местах. Представьте, что мы берем коробочку, в которой есть шарик. Мы потрясли коробочку, разрезали ее пополам и разнесли эти две части в стороны. В классическом случае мы уверены, что шарик находится только в одной из них: посмотрели в одну половинку — шарика нет — значит он в другой. В квантовом случае шарик — то есть фотон — находится там и там одновременно, пока вы не увидели его. У объекта нет точного местоположения. И это открывает с точки зрения вычислений очень интересные возможности. Фотон может находиться в состоянии единицы и ноля одновременно. Это значит, что вы можете задать несколько входных параметров сразу. Представьте себе компьютер, которому вы поставили прикладную задачу перебрать 10 тысяч вариантов возможных конструкций и проверить прочность каждой. В квантовом мире все задачи будут просчитаны одновременно. Другой вопрос: как считать результат на выходе. Ведь в итоге вы получитесуперпозицию всех ответов на все вопросы. 

Самое первое очевидное применение квантового компьютера — это взлом кода. Многие современные системы с открытым ключом, полагаются на то, что очень большое составное число крайне сложно разложить на простые множители. Некоторые такие вычисления требуют столько времени, сколько существует Вселенная. Квантовый компьютер может справиться с этим за приемлемый срок. Именно поэтому на его разработку и дают финансирование по всему миру. Но за этой подтянутся и другие задачи, например, поиск по базам данных и т.д.».

Лазеры, повторители и балансные детекторы на оптическом столе

Лазеры, повторители и балансные детекторы на оптическом столе

Как создается квантовый компьютер 

«На нынешнем этапе создание квантового компьютера находится на этапе разработки элементной базы. Сейчас большие надежды возлагаются на сверхпроводящие кубиты (квантовые биты), а до этого были атомы и ионы в ловушках. 

Поначалу квантовый компьютер будет выглядеть как огромный ящик, потом он будет все меньше и меньше. Потом, вероятно, в персональном компьютере (а потом и в мобильном телефоне) появится квантовый препроцессор. На самом деле квантовый компьютер очень особое устройство. Для классических линейных задач он просто ни к чему, а на первых этапах он будет нужен только очень узкому кругу людей. Когда изобрели лазеры, в советские журналы писали рабочие с просьбами прислать их, чтобы они могли забивать больше гвоздей. Такие же заблуждения сейчас касаются и применения квантового компьютера. Приведу пример: в вашем компьютере есть видеокарта — менее мощная, но, заточенная под свои задачи, она справляется с ними лучше и быстрее, чем центральный процессор. Поэтому и квантовый компьютер не стоит противопоставлять обычному. Они должны будут работать в симбиозе.

Квантовый компьютер — это меч, но квантовая физика предлагает еще и щит. Оказывается, что если для защиты информации использовать одиночные фотоны, то их свойства позволяют однозначно определить попытку перехвата и гарантировать безопасную передачу данных. И это уже сегодняшний, а не завтрашний-послезавтрашний день, как квантовый компьютер».

Что такое квантовая криптография

«Вся современная криптография основана на ключах, а ключ — это последовательность битов. Математически доказано, что если длина ключа равна длине сообщения, то ключ вскрыть невозможно. Как передать этот ключ? Послать курьера с чемоданом? Обычно информация передается по оптоволокну мощными лазерными импульсами. Но достаточно изогнуть волокно, и свет выйдет наружу, а значит, эту информацию кто-то может считать. Если по оптоволокну идет одиночный фотон — то есть неделимая частица, — когда он выскочил из него, то он не дошел до получателя, а когда дошел до получателя, то он точно не выскочил. В этом и заключается фундаментальное отличие. Одиночные фотоны — надежный источник ключей. В их квантовом состоянии (поляризации, фазе, времени) кодируется случайная последовательность битов — сам ключ. В один фотон кодируется один бит и передается получателю. Если он не перехвачен и не потерялся, то мы можем гарантировать, что ключ секретный. Если он был скомпрометирован, то ключ идет в мусорную корзину. Взломать эту систему никак нельзя — только если вломиться физически в серверную.

Главная проблема в том, что одиночные фотоны очень сильно теряются. Пройдя 100 км 99% из них рассеиваются. Продлить их путь позволяют квантовые повторители, принцип которых основан на красивой технологии квантовой телепортации. Телепортируется, правда, не сама частица, а ее квантовое состояние, а для этого частица должна быть уничтожена — оставить ее копию невозможно. Здесь, в центре, на громоздком оптическом столе мы экспериментируем с повторителями и балансными детекторами.

Американцам удалось протянуть линию на 650 км, китайцы сейчас тянут линию из Пекина в Шанхай, скоро запустят спутниковую квантовую криптографию (они в этой области сейчас лидеры). Для чего — пока не рассказывают. Говорят, что для тестового использования. В мире всего несколько компаний занимаются квантовой криптографией, но нельзя просто пойти и купить эту технологию. Вы должны быть уверены в том, кто производит это оборудование, иначе криптография не имеет смысла». 

Интернет в сёлах с помощью квантового света

«Такие же детекторы, чувствительные к одиночным фотонам, которые используются в квантовой криптографии могут помочь, например, раздавать интернет в сельской местности. Если традиционно мы ставим сервер, тянем оптоволокно к каждому дому, то в будущем вместо этого мы можем поставить два маленьких телескопчика, направленных друг на друга, через которые передаются данные по открытому пространству с помощью лазерного света. Но сейчас облачность, туман, пыль — все это снижает сигнал. Решение этих проблем — пусть не такая уж высоконаучная, но очень важная прикладная задача. Для того чтобы довести проект до конца, нужна команда, в которой будут как разработчики-физики, так и инженеры-конструкторы. Наша нынешняя разработка отлично проявляет себя в лаборатории, но когда мы ее вынесем на улицу, она потребует большой доработки корпуса, электроники, а также программного обеспечения».

«Чтобы понять, как это все работает на самом деле, нужно открывать научные статьи и вникать в них. Точкой входа здесь могут быть «Феймановские лекции по физике» — чтобы их понимать, достаточно пройти школьный курс физики. Для более серьезного погружения советую Московский физико-технический институт или физфак МГУ. Сам я полюбил физику еще в 7–8-м классе, потом поступил на физтех, после чего меня немного помотало. Я был уверен, что в России не получится заниматься физикой и параллельно с аспирантурой поработать в коммерческих организациях. Когда открылся Российский квантовый центр, я очень заинтересовался, отказался даже от работы в канадском IQC. Если по деньгам выходило примерно одинаково, то здесь еще предлагали собрать свою научную группу. Там же мне бы пришлось работать в чужой команде».

Источник: cont.ws



войдите Vkontakte Yandex

Комментарии 0

    Выделите опечатку и нажмите Ctrl + Enter, чтобы отправить сообщение об ошибке.