Вторая квантовая революция
Абсолютно защищенная квантовая связь, квантовый блокчейн и квантовый телефон уже реальность, но квантовые компьютеры, способные решать сложные задачи, появятся не ранее чем через лет семь
В июне 2021 года между Москвой и Санкт-Петербургом запустили самый длинный в Европе отрезок квантовой телефонной сети, его протяженность составила около 700 километров, по ней состоялся первый видеозвонок. Только что начали строиться сети квантовой связи. В октябре запущена межвузовская квантовая сеть с открытым доступом, которая объединила кампусы МИСиС и МТУСИ, а Центр квантовых технологий МГУ связал квантовой телефонией 20 абонентских пунктов на территории Московского университета (работы планируют полностью завершить к концу года). Первый в мире квантовый блокчейн — экспериментальная сеть защищенной передачи и обмена данных на основе квантового шифрования — заработала в России еще в 2017 году.
Идея квантовой связи в том, что в ней возможно абсолютное шифрование и переданный по связи через состояние отдельных квантов света фотонов шифр никто не перехватит. А если перехватит, то изменит этим самым состояние кванта света, что станет очевидно в процессе передачи.
Если суметь считывать и транслировать квантовые эффекты отдельных индивидуальных частиц на приборы, можно делать удивительные вещи, и квантовое шифрование — это только первый шаг. Квантовые законы, законы мира элементарных частиц принципиально вероятностны. Мы не можем знать, скажем, магнитный момент данного конкретного фотона в данный конкретный момент и не просто не знаем — принципиально знать не можем: фотон находится к квантовой суперпозиции, то есть действительно одновременно сочетает разные свои состояния. И это не хаос, а точно считаемые сочетания.
Прорыва ожидают от создания квантового компьютера достаточной мощности, чтобы решать задачи, которые обычные компьютеры не решают или решают слишком долго. Кубит, элементарная ячейка квантового компьютера, может, грубо говоря, содержать одновременно и 0, и 1 (в отличие от обычного бита, который содержит либо 0, либо 1), благодаря чему квантовое программирование позволяет работать в другой логике, более подходящей для некоторых задач.
Прототипы квантового компьютера умеют в специальных модельных задачах (например, в алгоритме Гувера) сразу давать правильный ответ там, где обычному компьютеру требуется перебор вариантов. От квантового компьютера в будущем ожидают ускорения решения многих задач на оптимизацию и того, что он станет гораздо более естественной платформой для искусственного интеллекта, чем обычные машины. Одним из лидеров разработки квантовых систем, в том числе квантового компьютера, является Центр квантовых технологий МГУ имени М. В. Ломоносова, который возглавляет профессор Сергей Кулик, один из самых цитируемых российских ученых в отрасли. «Эксперт» поговорил с ним о том, насколько мы близки к прорыву в этой отрасли.
Эволюция и революции в квантовом мире
— Что такое квантовые технологии и где область их применения?
— Отвечу двояко, физика квантовых технологий к этому располагает.
Первый ответ — точный. Современные квантовые технологии включают в себя три области разработки. Первая — все, что связано с созданием квантовых компьютеров. Вторая — все, что связано с построением квантовых коммуникаций, то есть коммуникаций, которые основаны на обмене квантовыми состояниями (как правило, в этой области оперируют состоянием одного фотона, или кванта света). И третья — все, что связано с построением светочувствительных сенсоров: квантовая сенсорика.
Но можно дать и другой ответ: квантовые технологии давно применяются в жизни, просто это немного не те квантовые технологии. Во второй половине двадцатого века в результате «квантовой революции» появились технологии, использующие квантовые эффекты. Но они были построены на коллективных физических свойствах больших ансамблей частиц вещества или света. Самый громкий пример — атомная бомба. Без квантовой механики не сделать ни бомбу, ни ядерный реактор. Второй яркий пример — все, что связано с полупроводниками. Гаджеты, от телевизора до любого типа компьютера, напичканы разного рода полупроводниковыми устройствами, свойства и технологии производства которых опираются на законы квантовой механики. С этой точки зрения квантовые технологии окружают нас повсюду.
Но есть важный нюанс: современные квантовые технологии, о которых мы и будем говорить, появившиеся уже в двадцать первом веке, основаны на свойствах не коллективных, а индивидуальных квантовых объектов. Появление таких технологий называют «второй квантовой революцией».
— А что это за индивидуальные квантовые объекты?
— Это отдельные атомы, отдельные ионы, отдельные электроны, отдельные фотоны. Например, чтобы построить квантовый компьютер, нужно найти такие физические системы, которые основаны на свойствах отдельного атома, и научиться этими свойствами управлять — манипулировать, как говорят физики. Необходимо научиться буквально подвешивать в вакууме отдельный атом, научиться к нему обращаться с помощью, например, состояния света — управляя пучком света, направленным на этот атом. Нужно научиться управлять эволюцией этого атома. В квантовой физике тоже есть термин «эволюция» — это развитие во времени состояния квантового объекта. Нужно научиться считывать состояние этого атома, потому что в процессе эволюции он приобретает новые свойства и состояние. И надо уметь это состояние правильно измерять. А измерить, значит, превратить свойства индивидуального квантового объекта в какие-то понятные нашему классическому миру показания приборов. В общем, это чрезвычайно сложная задача с точки зрения физики и технологии.
Квантовые компьютеры
— Верно ли мнение, что развитие обычных компьютеров начинает замедляться и квантовые компьютеры могут решить эту проблему?
— Согласно всем известному закону, эмпирически выведенному Гордоном Муром, количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца. Это увеличение плотности элементов на интегральных схемах сейчас приводит нас к ситуации, которая, согласно оригинальной версии закона Мура, должна наступить в 2023 году. К ситуации, когда размер транзистора будет сравним с размером атома. Это уже сейчас так: технологии размером пять нанометров у нас на носу висят. Для объяснения свойств таких объектов мы обязаны пользоваться законами квантовой механики. И мы действительно подошли к предельной плотности упаковки транзисторов — сейчас закон Мура уже нарушается.
Есть и другая вещь, о которой часто забывают: проблема тепловыделения. Нам нужно научиться не рассеивать энергию на второстепенных операциях — ввода, вывода и преобразования информации. Классические компьютеры этого не умеют делать и по мере уменьшения размера транзисторов все хуже справляются с этой проблемой. С этим каждый сталкивался в своей жизни — пощупайте обратную сторону вашего ноутбука, она неспроста такая горячая.
Это две фундаментальные проблемы в развитии обычных компьютеров. Способны ли их решить квантовые компьютеры? Для некоторых типов задач — да, они будут обладать сильно превосходящей производительностью.
— А что это за задачи? Кажется, обычно упоминается лишь один их тип, связанный с нахождением всех целых делителей большого числа. Говорят, что, решив эту задачу, квантовые компьютеры смогут обрушить всю современную криптографию…
— Действительно, если будет построен квантовый компьютер, он будет очень хорошо решать эту задачу. Такой компьютер позволит взломать существующую систему криптографии, которая называется асимметричной криптографией. Это криптография, которая в значительной степени базируется на сложности выполнения определенных операций — они выполняются хорошо в одну сторону, а в обратную сторону очень тяжело вычисляются. Но если будет высокопроизводительное вычислительное устройство, оно легко это сделает. Хотя строить квантовый компьютер для того, чтобы взломать коды, согласитесь, не очень порядочно.
Но на самом деле задач для квантового компьютера немало. Это очень широкие задачи на оптимизацию, которые решаются методом перебора. Например, задача поиска в базе данных или логистические задачи. Классический пример — так называемая задача коммивояжера. Есть ряд городов, которые должен объехать этот коммивояжер, чтобы продать там свои изделия. Как ему оптимальным образом построить свой маршрут, чтобы минимизировать время? Если городов больше сорока, ни один супермощный классический компьютер с этой задачей не справится. А согласитесь, она очень актуальна! Или, например, расчет свойств новых материалов исходя из свойств веществ, из которых они должны состоять. Или создание настроенных на конкретного пациента лекарств — такие персонализированные лекарства считаются будущим медицины. Все это задачи на оптимизацию.
— Так настоящих квантовых компьютеров еще не существует? Или существуют, но плохие? Я слышал про квантовый компьютер компании D-Wave…
— Существуют. И у Google есть свой квантовый компьютер, и у IBM — они соревнуются. Но пока эти компьютеры решают задачи, совершенно бесполезные для народного хозяйства и обычных пользователей. Это задачи демонстрационные, их цель — показать, что квантовый компьютер в принципе можно построить и создать алгоритмы, с помощью которых он решает эти задачи гораздо быстрее, чем самый мощный классический компьютер.
— А в Квантовом центре МГУ есть квантовый компьютер?
— Нет, но мы двигаемся к их созданию — у нас уже есть фотонные чипы, в которых происходят эти вычисления. Мы разрабатываем две физические платформы для квантовых компьютеров — на основе нейтральных атомов, мы работаем с рубидием. У нас есть квантовый регистр, в котором содержится около сотни таких атомов, и мы сейчас учимся ими управлять. Мы хорошо управляем свойствами отдельных атомов, то есть совершаем однокубитные операции, меняя состояния атома. Пока не очень хорошо получаются двухкубитные операции, а без этого полноценный квантовый компьютер не построить.
— Возможно ли, что способный решать практические задачи квантовый компьютер разработают не государства и корпорации, а какие-нибудь хакеры для взлома?
— У меня как у физика есть хороший ответ на такие вопросы. Если что-то не противоречит законам природы — это возможно.
— Но насколько это вероятно? Мы уже находимся на пороге создания эффективных квантовых компьютеров или пока достаточно далеки от этого?
— Компьютеры, способные решить «задачу коммивояжера» или взламывать шифры, вряд ли появятся в ближайшее время — во всяком случае, не в ближайшие пять лет. Возможно, лет через семь, но я оптимист.
— Откроют ли квантовые компьютеры новые перспективы в области разработок искусственного интеллекта?
— Конечно! Искусственный интеллект во многом опирается на большие данные, а их надо как-то структурировать, анализировать, преобразовывать. Здесь очень сильно поможет та самая оптимизация, о которой мы говорили.
— Как будут выглядеть программы для квантовых компьютеров?
— Первые языки программирования для квантовых компьютеров уже созданы — это вполне обычный софт. Главные проблемы пока с «железом», а программы для него вовсю разрабатываются, в том числе во многих местах в России.
Квантовая связь
— Давайте перейдем ко второй группе квантовых технологий. Что такое квантовая связь?
— Это наука о том, как передавать информацию с помощью квантовых состояний и основанные на ней технологии. Это гораздо более развитая группа технологий по сравнению с квантовыми вычислениями, особенно сильно развита квантовая криптография. В современной классической криптографии есть задача, которая пока не решена, проблема распределения криптографических ключей. Как сделать так, чтобы у вас и у меня как у двух легитимных пользователей оказались наборы идентичных строк программы — криптографических ключей, которыми мы сможем шифровать и расшифровывать сообщения друг другу. По законам жанра эти ключи надо все время менять, чтобы сообщение нельзя было вскрыть. В идеальном случае каждое сообщение расшифровывается своим ключом. Представьте, сколько таких ключей надо набрать — где их хранить, как уничтожать, как доставлять?
Оказывается, квантовая криптография, позволяет решить эту задачу без участия человека. Для этого нужно иметь так называемый квантовый канал связи, по которому распространяются фотоны, состояния света, закодированные определенным образом, — по нему обмен такими ключами происходит совершенно автоматически. Такими ключами можно симметричным образом шифровать сообщение, в отличие от способа шифровать асимметрично, который смогут взломать квантовые компьютеры.
— Такой шифр в принципе нельзя взломать?
— Я попробую объяснить с помощью аналогии, хотя, как и любая аналогия, она имеет ограниченное применение.
Останкинская башня излучает электромагнитные волны — и много миллионов пользователей могут одновременно смотреть телевизоры. Почему? Потому что их приемники получают кванты электромагнитного излучения, фотоны, мощного излучения хватает на всех. Но что если ослабить это излучение? Поток квантов будет все меньше — представим, что из башни вылетает лишь один фотон в секунду. А телевизоры включены у всех. Но этот фотон может достаться лишь кому-то одному, ведь он один. Когда по каналу квантовой связи передается такой фотон и кто-то его перехватит, это нельзя сделать незаметно — ведь фотон не достанется тому, для кого предназначался.
В теории информации есть теоремы о запрете копирования квантовых состояний, суть которых в том, что неизвестное квантовое состояние нельзя копировать. Если кто-то захочет получить копию этого состояния, он не сможет остаться незамеченным, потому что то состояние, от которого он отщепит кусочек информации, будет обязательно искажено, и об этом узнают легитимные пользователи.
— Кто-то сейчас уже пользуется квантовой связью в практических целях?
— В ближайшие годы она начнет использоваться. Кроме того, все, что касается средств криптографической защиты информации, подпадает под действие определенного закона: защищенное шифрованием общение регулируется государством, в каждом развитом государстве есть органы, регулирующие эту сферу. Любой такой канал должен быть сертифицирован государством, иначе у его создателя будут большие неприятности.
Конечно, в первую очередь разрешение на использование квантовой связи получат организации, которые имеют отношение к управлению государством, силовые структуры. Во вторую очередь, наверное, это будут банки, которые тоже обладают некоей информацией, которую надо обязательно шифровать.
Устройства для квантовой связи уже начинают производиться в разных странах, сейчас даже стоит проблема создания международного стандарта для этих устройств — и ее непросто решить, потому что страны лоббируют свои системы.
— А обычные люди заметят распространение квантовой связи?
— Скорее нет, мне трудно представить ситуацию, в которой вы или я нуждаемся в такой степени защиты персональных данных. Но можно ответить и по-другому: в принципе, можно придумать применение этой технологии для обычных пользователей. Например, все мы пользуемся банковскими карточками, вводим ПИН-код — а это и есть в некотором смысле кусочек ключа. Но это как раз та самая асимметричная криптография, которая ломается, а значит, если у вас большая сумма на счете, вам, наверное, будет не очень спокойно спать. И если вам скажут, что у вас будет способ абсолютно секретным образом контролировать свой счет, наверное, вам будет приятнее. Это может касаться не только денег на счете, но и например, защиты медицинских данных.
Квантовые сенсоры
— Перейдем к третьей области современных квантовых технологий — квантовым сенсорам. Что это?
— Уже из названия понятно, что речь идет о высокочувствительных датчиках, намного более чувствительных, чем датчики, которые опираются на законы классической физики. Их много, несколько групп, сейчас принято выделять три.
Первая группа — квантовые сенсоры, которые измеряют магнитные и электрические поля, датчики полей. Они нужны, например, в медицине. Допустим, томограф: он фактически создает карту электромагнитного поля человека или части его тела. Вторую группу я условно называю «часами» — это атомные часы. Датчики этой группы используют для построения компактных и очень точных часов, которые можно вывести на орбиту, они уже используются в навигации для определения координат. Задача в том, чтобы сделать их как можно компактнее и поднять чувствительность. Кроме того, в эту группу входят гравиметры — геологоразведочные приборы, которые реагируют на изменение плотности того, что залегает в земле.
Третья группа — все, что связано с квантовой метрологией, то есть измерительная техника для всего, что можно очень точно измерить с помощью квантовых эффектов. Плюс те самые однофотонные источники и однофотонные детекторы, нужные для того, чтобы в полной мере заработали квантовые компьютеры и квантовые коммуникации.
— Есть ли надежда, что эти технологии как-то изменят мир в ближайшей перспективе?
— Да! Сенсоры нужны медицине, и есть куча областей, например, где высокоточное знание текущих координат очень помогает жить. Квантовая криптография поможет защитить секреты, квантовые компьютеры, например, синтезировать новые материалы, создавать персональные лекарства — постепенно все это сможет сильно улучшить качество жизни людей.
Фото: из личного архива Сергея Кулика
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl