Rambler's Top100
Статьи ИКС № 2 2020
Николай НОСОВ  06 июля 2020

Вторая квантовая революция: в погоне за лидерами

На рубеже 21-го века мир оказался на пороге второй квантовой революции – способности управлять сложными квантовыми системами на уровне отдельных частиц, благодаря чему стало возможным создать системы квантового шифрования и вычислений.

В первой квантовой революции, начавшейся во второй половине 20-го века, технологии и приборы строились на управлении коллективными квантовыми явлениями (рис. 1). У человечества появились лазеры, транзисторы и компакт-диски. Без технологий первой квантовой революции было бы невозможно повсеместное распространение интернета и мобильной связи. 

Источник: «Квантовый компьютер: большая игра на повышение». Лекция Алексея Федорова в Академии Яндекса
Рис. 1. Первая и вторая квантовые революции

Квантовая случайность

Различные способы контроля над индивидуальными квантовыми объектами принято объединять термином «квантовые технологии». Пример применения квантовых технологий – генератор случайных чисел. Создание настоящей случайности – задача, трудно решаемая в макромире. Теоретически даже результат подбрасывания монетки можно рассчитать, если иметь все исходные данные. На практике используются псевдослучайные числа. Если какой-то умник поймет закономерность их генерации, то сможет взломать зашифрованные сообщения, подделать банковские платежные документы или разорить казино. В физике истинно случайной считается только квантовая случайность. Задача генератора случайных чисел – перенести ее из микромира в макромир.

Первый в мире квантовый генератор случайных чисел был создан женевской компанией ID Quantique. В ее разработке используется лазер с настолько низкой интенсивностью излучения, что в каждый момент времени существует только один квант электромагнитного излучения – фотон. Он попадает на полупрозрачное зеркало и случайным образом или проходит через него на детектор «1» или отражается на детектор «0». Детектор «1» генерирует единицы, детектор «0» – нули. Таким образом получается истинно случайная последовательность (рис. 2). 

Источник: ID Quantique 
Рис. 2. Принцип работы квантового генератора случайных чисел, реализованный в ID Quantique 

Бит и кубит

Существование истинной квантовой случайности, основы современных квантовых технологий, не всегда признавалось физиками. «Бог не играет со вселенной в кости», – сказал Нильсу Бору Альберт Эйнштейн. На что получил ответ: «Не указывайте Богу, что делать». Современная наука на стороне Бора. Есть законы больших чисел, тренды, статистические закономерности, но все характеристики конкретной элементарной частицы, основы мироздания, вероятностны до момента измерения. 

Классический компьютер соответствует жестко детерминированному миру. Значение бита определяется однозначно: ноль или единица. Но мир не детерминирован. В квантовых вычислениях мир вероятностен. Аналог бита – кубит –описывается вероятностью нахождения в том или ином состоянии (рис. 3). Если бит можно уподобить лежащей на столе монетке с однозначно определяемым состоянием – орел или решка, то кубит – монетка, крутящаяся в воздухе или прыгающая в стакане, имеющая только вероятность оказаться в состоянии орел или решка. Говоря научным языком – система, находящаяся до измерения в состоянии суперпозиции. 

Рис. 3. Кубит описывается вероятностью нахождения в одном из состояний («0» или «1»)

Квантовая запутанность и квантовое шифрование

Квантовые объекты не являются ни классическими волнами, ни классическими частицами, проявляя свойства первых или вторых в зависимости от условий экспериментов, которые над ними проводятся. Причем в соответствии с принципом неопределенности Гейзенбéрга, чем точнее измеряется одна характеристика объекта (энергия, спин, длина волны), тем менее точно можно измерить вторую. Квантовые объекты имеют неопределимые, вероятностные физические характеристики, которые хорошо подходят для использования в качестве кубитов – систем, находящихся в состоянии суперпозиции. 

Однако мало иметь записанную в битах или кубитах информацию. Надо уметь ее передавать и обрабатывать. Ключевой феномен, используемый для обеспечения безопасности квантовой связи, – запутанность, т.е. взаимозависимость квантовых состояний двух или большего числа объектов.

Например, если послать зеленый фотон с определенной энергией на нелинейный кристалл, то из него вылетят два запутанных красных фотона. Определить энергию каждого нельзя, но если провести измерение энергии одного фотона, то, в соответствии с законом сохранения энергии, будет однозначно определена энергия второго, так как сумма энергий красных фотонов равна энергии зеленого.

Возраст (время до поимки детектором) красного фотона тоже до измерения не известен. Но он равен возрасту второго красного фотона, иначе был бы нарушен закон сохранения. Таким образом, между фотонами появляются квантовые корреляции. И если мы определим возраст одного фотона, то однозначно определим и возраст другого, который может находиться от первого на большом расстоянии.

Проведенные учеными эксперименты статистически опровергают естественное предположение о том, что динамические свойства квантовой частицы, наблюдаемые при измерении, реально существуют еще до измерения, а измерение лишь ликвидирует наше незнание того, какое именно свойство имеет место. На невозможности сохранения запутанности при попытке измерения параметров частицы третьей стороной построена невзламываемость квантовой связи.

Две стороны, соединенные по открытому каналу связи, могут создать общий случайный ключ, который известен только им, и использовать его для шифрования/дешифрования передаваемых пакетов информации. Если ключ попытается получить третья сторона, то она должна будет измерить передаваемые по каналу связи квантовые состояния, что приведет к их изменению и появлению аномалий, которые выдадут ее присутствие. Если количество аномалий ниже определенного порога, то ключ создается и безопасность передачи гарантируется, в противном случае секретный ключ не создается и связь прекращается. 

Описанный выше метод квантового распределения ключей позволяет организовать полностью защищенные каналы связи, причем уже не только в лабораторных условиях. Впервые квантовое шифрование использовалось в 2007 г. для связи при проведении выборов в Федеральное собрание Швейцарии, затем в 2010 г. во время чемпионата мира по футболу в ЮАР.

В августе 2016 г. с космодрома Цзюцюань китайцы запустили первый в мире квантовый спутник «Мо-Цзы» (рис. 4). Аппарат обеспечил распределение запутанных фотонов на рекордно большое расстояние, свыше 1200 км. На космическом аппарате установили яркий источник запутанных фотонов – кристалл, в котором происходило спонтанное параметрическое рассеяние, т.е. превращение одного фотона в два с уменьшенной энергией. Источник формировал около 6 млн пар запутанных фотонов в секунду. Фотонные пары отправляли с помощью двух телескопов к наземным обсерваториям: Дэлинха (Тибет), Наньшань (Урумчи) и Гаомеигу (Юньнань). Как телескопы спутника, так и телескопы-приемники требовали высокой точности наведения – «Мо-Цзы» двигался по орбите со скоростью около 8 км/с.

Источник: Asia Today 
Рис. 4. Квантовый спутник «Мо-Цзы», испускающий пары запутанных фотонов 

В январе 2018 г. спутник «Мо-Цзы» передал реальные данные по защищенному каналу, связав австрийский Грац и китайский Синлун, расстояние между которыми составляет 7,6 тыс. км. Из Китая в Австрию отправили изображение древнекитайского философа, имя которого носит спутник, а в обратном направлении послали фото Эрвина Шредингера.

В марте 2019 г. в Британии была запущена первая в мире коммерческая квантовая сеть. Канал с квантовой защитой напрямую соединяет высокотехнологичные промышленные кластеры – Кембриджский научный парк и кластер Innovation Martlesham возле Ипсвича.

В январе 2020 г. появилось сообщение о создании в Китае первой в мире мобильной квантовой станции, подключаемой к спутнику «Мо-Цзы». Масса мобильного устройства квантовой связи составляет 80 кг. В кармане не унесешь, но уже можно установить на крыше автомобиля. Портативная станция в первую очередь разработана для китайских банков, которые уже используют спутниковую квантовую криптографию для связи отделений в разных частях страны. В ближайшие несколько лет ученые планируют запустить на орбиту небольшие спутники квантовой связи, целью которых будет обслуживание коммерческих клиентов.

Продолжаются эксперименты и с оптоволокном. Китайские специалисты использовали технологию квантовой связи при организации защищенного канала между Пекином и Шанхаем. В этой магистрали используются также традиционные сетевые компоненты, что создает риск взлома. А вот проект Делфтского технического университета предусматривает создание первой в мире сети, передающей информацию с помощью квантовых технологий из конца в конец, что можно считать прообразом невзламываемого интернета будущего. Строительство объединяющей четыре города голландской квантовой сети планируется завершить в 2020 г.

Квантовая телепортация

Квантовую связь можно использовать для квантовой телепортации, феномена, заключающегося в том, что вещество (масса, энергия) исходного объекта остается в точке отправления, но вся его структура (физическое состояние) просто исчезает. К примеру, если телепортируется пластилиновая утка, то пластилин остается на месте, но перестает иметь форму утки, делается бесформенным. А в пункте назначения бесформенная кучка пластилина (вещества) в конце процесса телепортации приобретет в точности форму исходной утки, вплоть до расположения отдельных атомов.

К сожалению, в макромире такое пока невозможно. А вот в микромире телепортация уже проводится, например, для фотонов. Фотон – пакет электромагнитной энергии, имеющий слабое колеблющееся электрическое поле. Если фотон имеет четкую поляризацию, электрическое поле регулярно колеблется в одном и том же направлении. Если фотон неполяризован, его колебания беспорядочны.

Принцип работы квантовой телепортации (рис. 5) таков: на стороне источника (Алиса) есть поляризованный фотон A1, по сути – квантовый кубит, который надо телепортировать. На стороне приемника (Боб) есть неполяризованный фотон Б1. У Алисы есть также фотон A2, запутанный с фотоном Б1. В процессе квантовой телепортации Алиса проводит связное измерение (запутывает фотон A1 c A2), в результате чего разрушается запутанность A2 и Б1, фотон А1 становится неполяризованным, а Б1 приобретает четкую поляризацию телепортированного фотона. Таким образом, фотон Боба становится во всем идентичен исходному фотону Алисы, а фотон Алисы А1 – исходному фотону Боба. Это и означает, что произошла телепортация квантового кубита.

Источник: Н. Жизан. «Квантовая случайность. Нелокальность, телепортация и другие квантовые чудеса»
Рис. 5. Принцип действия квантовой телепортации 

Если у Боба есть фотон Б2, запутанный с фотоном Вики (В1), то при проведении Бобом связного измерения Б1 и Б2 образуется запутанность на еще большем расстоянии, причем между никогда не встречавшимися фотонами А2 и В1, и появляется возможность телепортировать A1 в B1 и далее (рис. 6). Передается форма, а не материя, так что фундаментальный закон, ограничивающий перемещение скоростью света, не нарушается.

Источник: Н. Жизан. «Квантовая случайность. Нелокальность, телепортация и другие квантовые чудеса»
Рис. 6. Передача запутанности на расстояние

Получившийся в итоге кубит не только находится в состоянии исходного кубита, но и абсолютно идентичен ему во всех смыслах. Этого нельзя достичь в рамках обычной побитовой передачи, поскольку для описания состояния квантовой системы необходимо бесконечное количество информации, ведь квантовых состояний бесконечно много. При обычной битовой передаче можно передать только приближенное описание состояния – чем точнее описание, тем больше его объем. 

Состояние телепортируемого кубита неизвестно никому, в том числе отправителю и получателю. А любая попытка считать состояние на этапе передачи приводит к потере запутанности и невозможности телепортации. Алиса и Вика могут гарантировать конфиденциальность общения на уровне целой телепортационной сети, даже если между ними есть промежуточные узлы (квантовые повторители, как называют их физики).

В теории все выглядит убедительно, но на практике все совсем не просто. В настоящее время нет чисто однофотонных источников – в действующих установках используются слабые лазерные импульсы, где иногда проскакивают несколько фотонов, что дает возможность организовать атаку на канал связи. Кроме того, есть уязвимости у конкретных реализаций, что позволяет взломать квантовую систему, например, через насыщение принимающего фотодетектора. 


Степан Снигирев, канд. физ.-мат. наук, экс-сотрудник Института квантовой оптики общества Макса Планка (Гархинг, Германия)

Пока все решения нишевые. Квантовая связь позволяет соединить через спутник или оптоволокно только две точки. Причем на обоих концах используется дорогое оборудование. Отсутствие асимметричного квантового шифрования требует интерактивного взаимодействия – если принимающая сторона находится в офлайне, то через канал квантовой связи послать сообщение нельзя. До невзламываемого интернета с возможностью защищенной связи с несколькими точками очень далеко. В ближайшее время технология вряд ли дойдет до широкого потребительского рынка.
 

Квантовая связь в России

До телепортации в макромире еще далеко, да и неизвестно, осуществима ли она в принципе. А вот квантовые коммуникации вполне возможны. В том числе в России, где отставание от лидирующих области квантовых технологий США, ЕС и Китая быстро сокращается.

В июне 2016 г. сотрудники «Российского квантового центра» (РКЦ) соединили квантовой связью два здания Газпромбанка в Москве. В мае 2017 г. специалистам РКЦ удалось создать многоузловую гетерогенную квантовую сеть передачи данных. Ученые смогли применить одновременно два метода шифрования данных в одной сети. На одном участке сети информация шифровалась путем поляризации фотонов (этот метод разработан в РКЦ), во втором задействовалась их фаза. 

В конце 2019 г. «Ростелеком» начал работы над проектом «Ландау» создания защищенной квантовой линии связи между своими дата-центрами в Москве и в Удомле (Тверская область). Первую в России коммерческую линию квантовой связи длиной 670 км построят в 2021 г., к концу 2020-го должен появиться прототип данного сервиса. В качестве канала связи используют оптоволокно. Проблему рассеивания фотонов в оптоволокне разработчики «Ростелекома» планируют решить, построив на линии шесть защищенных промежуточных узлов. В перспективе квантовую сеть намереваются продлить до Санкт-Петербурга.

Мало передать запутанные фотоны – нужно иметь оборудование для их использования. В этом направлении тоже ведутся работы. Компания «Инфотекс» создала комплекс аппаратуры, включающий подсистему квантового распределения ключей и два скоростных шифратора. ViPNet Quandor стабильно вырабатывает секретный квантовый ключ длиной 256 бит в среднем 1 раз в минуту. Это позволяет шифровать большой объем пользовательского трафика на высокой скорости. Весной 2019 г. компания «Инфотекс» и Центр квантовых технологий МГУ представили первый в России телефон с квантовой защитой связи ViPNet QSS Phone (рис. 7). Устройство шифрует голосовой трафик между стационарными IP-телефонами с помощью квантового распределения ключей.

Источник: «Инфотекс»
Рис. 7. Квантовый телефон ViPNet QSS Phone

В июле 2019 г. после подписания соглашения о намерениях между РЖД и правительством России появилось сообщение о планах компании создать квантовую сеть для безопасной передачи данных. РЖД намеревается вложить в развитие квантовых технологий в нашей стране 24,7 млрд руб. Согласно проекту «дорожной карты», часть средств будет потрачена на квантовую сеть для 1000 абонентов, которая будет построена к 2024 г. Развертыванием квантовых сетей в РЖД займется специально созданный департамент квантовых коммуникаций.

Над квантовыми сетями в России работают и другие компании. Так, компания СМАРТС получила грант Российского фонда развития информационных технологий на строительство магистральной квантовой сети от Самары до Сызрани. Строительство планируется завершить до конца 2020 г.

В октябре 2019 г. Минкомсвязь России опубликовала документ «Дорожная карта развития “сквозной” цифровой технологии “Квантовые технологии”», разработанный в рамках направления «Цифровые технологии» нацпрограммы «Цифровая экономика РФ». В документе квантовая связь называется наиболее зрелой и близкой к массовому внедрению квантовой технологией и приводится пример инфраструктуры квантовых сетей в РФ к 2024 г. (рис. 8). На схеме показаны уже строящиеся каналы квантовой связи (Москва – Тверь) и возможные в ближайшем будущем продолжения (Тверь – Санкт-Петербург, Москва – Нижний Новгород – Казань).

Источник: Дорожная карта развития «сквозной» цифровой технологии «Квантовые технологии», Минкомсвязь России
Рис. 8. Инфраструктура квантовых сетей в РФ к 2024 г. 

В дорожной карте отмечается, что «новые решения должны позволить перейти от решений "точка–точка" к архитектуре "звезда" со снижением стоимости подключения и к решениям без требования к доверию промежуточному узлу». 

Поздний старт привел к тому, что в 2016 г. Россия отставала от лидеров на 10–12 лет, но это отставание сокращается, в 2019 г. оно оценивалось уже в три-четыре года. На государственном уровне ставится задача к 2024 г. отставание ликвидировать и занять 8% мирового рынка квантовых коммуникаций. Среди приоритетных направлений использования – защита национальных информационно-коммуникационных сетей, обеспечение защиты информации для финансового сектора, государственных органов, крупных технологических компаний и держателей критической информационной инфраструктуры.
Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!