Состояние науки: Как создаются щит и меч 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».

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.».

«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».

«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». 

«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».