Квантовые манипуляции на физфаке МГУ

Одна из передовых лабораторий, сотрудники которой пытаются сделать так, чтобы особенные свойства квантовых объектов можно было применить в обыденной жизни, находится на физическом факультете МГУ им. М.В.Ломоносова. Здесь занимаются применением квантовой криптографии для обеспечения защищенной от прослушивания связи и созданием квантового компьютера. На экскурсии в этой лаборатории побывал наш корреспондент, кандидат физико-математических наук С.М.Комаров.

Манипуляция (от латинского manipulus — пригоршня, горсть, manus — рука) — действие рукой или руками при выполнении какой-либо сложной работы.

Большой энциклопедический словарь

Рабочий стол для проведения экспериментов по квантовой криптографии

Проблема снаряда и брони

«Квантовый компьютер и квантовая криптография неразрывно связаны друг с другом: как только появится первый, многие системы передачи закодированной информации окажутся под угрозой. Один из надежных и относительно дешевых способов ей противостоять — создание системы квантовой криптографии, в которой невозможно незаметно вскрыть ключ шифрования. Полноценного квантового компьютера еще нет, а системы квантового шифрования уже созданы, и наша лаборатория находится на лидирующих позициях в мире», — рассказывает профессор С.П.Кулик.

Идея создать невскрываемый шифр, используя квантовые свойства света, появилась в 70-х годах XX века, но тогда она казалась фантастической. Однако по мере развития лазерной техники и появления систем оптоволоконной связи выяснилось, что выполнить подобное шифрование информации вполне возможно.

В основе идеи лежит такая особенность квантовых объектов, как невозможность измерить их имеющееся состояние: сам процесс измерения это состояние необратимо изменит, можно зафиксировать только результат изменения. Поэтому любое «прикосновение» к квантовому объекту неспособно остаться незамеченным. Отсюда следует принцип работы системы идеального шифрования: она должна создавать квантовые объекты в известном состоянии, например генерировать кванты света с определенным направлением вектора поляризации, а затем анализировать, не изменилось ли это состояние в процессе передачи. Конечно, такой анализ неизбежно изменит квантовое состояние, однако это будет закономерное изменение, которое известно создателям системы связи. Поэтому они смогут догадаться, каким было состояние до измерения. Но если по дороге злоумышленник «потрогает» пролетающий мимо него фотон, состояние будет изменено неконтролируемым образом и на другом конце это заметят. А заметив — примут меры: допустим, прекратят трансляцию. С помощью разработанных квантовыми криптографами алгоритмов можно определить и то, сколько информации злоумышленник успел получить, пока не сработали системы безопасности.

Такие сложности нужны для того, чтобы безопасно передать ключ к шифру от одного клиента другому. А затем они станут обмениваться зашифрованной такими ключами информацией между собой. Получается, что их должны соединять две линии связи: одна для передачи постоянно меняющихся ключей, а другая для передачи собственно информации. При создании ключей можно использовать такое замечательное явление, как квантовая телепортация. Для этого, например, с помощью лазера, который удваивает частоты попадающего в него излучения, создают из одного фотона два. Рождаясь одновременно, они находятся в так называемом запутанном состоянии: изменение состояния одного ведет к мгновенному изменению состояния второго. Тогда оба клиента, которым центральный сервер отправил по такому фотону, смогут самостоятельно, то есть уже без участия сервера, генерировать ключи шифрования для обмена информацией.

Телефон для декана

Созданию квантовых состояний и их контролируемому измерению и посвящена работа квантовых криптографов из лаборатории Кулика. «Наша лаборатория находится на передовых рубежах в мире. Причина в том, что именно в Московском университете давно существует научная школа в области квантовых вычислений и методов обработки информации. Например, профессор Давид Николаевич Кышко — один из основателей мировой школы квантовой оптики — университетский исследователь. Благодаря этой школе мы можем поддерживать высокий уровень как теоретических разработок, так и воплощения интересных идей», — отмечает профессор Кулик.

Профессор С.П.Кулик объясняет технологию обмена данными в квантовой системе связи

И действительно, в октябре 2016 года университетские физики протестировали возможность создания междугороднего квантового канала связи на базе имеющейся оптоволоконной линии компании «Ростелеком». Информацией, зашифрованной квантовыми ключами, обменивались абоненты, которые находились в Ногинске и Павловском Посаде. После того как оператор настроил системы, передача информации проходила в автоматическом режиме. Ключи распределялись между центральным сервером и несколькими клиентскими узлами: последовательно получаемые на различных узлах ключи специальным образом синхронизируются, что дает возможность всем абонентам напрямую обмениваться зашифрованными сообщениями. При этом серверная станция позволяет поддерживать связь 32-м абонентам.

Это значит, что на уже существующем оборудовании и без прокладки дополнительных кабелей можно создавать локальные сети обмена полностью защищенной информацией. Именно такую сеть для телефонных разговоров сейчас монтируют в МГУ. Сначала она свяжет кабинеты ректора и декана физфака, затем к ней будут присоединены другие деканаты, в том числе и те, что расположены в старом здании университета на Моховой улице. В этой сети основной сигнал идет по обычной телефонной лини, а шифр к нему передается по параллельной оптической. Абонентские же аппараты станут оцифровывать и зашифровывать речь абонентов. Такая сеть послужит прекрасным демонстрационным образцом.

Вообще-то попытки организовать оптические системы для связи объектов в различных университетских городках предпринимались не раз и безотносительно задач квантовой криптографии: при этом отпадает необходимость прокладки подземных кабелей, достаточно поставить лазеры и приемники на высоких зданиях городка. Однако тут есть ограничения: туман и осадки, рассеивающие луч лазера, способны нарушить работу системы. Наиболее перспективное использование такой технологии — выход в космос, где квантовый сигнал может без изменений преодолевать тысячи километров. В случае успеха может быть построен общепланетный квантовый Интернет, который объединит через космос локальные узлы, обслуживающие абонентов в радиусе десятков километров.

Модель в ловушке

Параллельно с системой квантовой криптографии на физфаке разрабатывают и квантовый компьютер — тот самый, с появлением которого многие неквантовые системы шифрования потеряют смысл. Для этого устройства написаны алгоритмы, создан язык программирования, и с математической точки зрения специалистам совершенно понятно, как надо действовать. Дело за малым: создать квантовую систему, у которой можно будет закономерным образом создавать и менять квантовые состояния. Здесь есть несколько подходов, и оптимальный пока что не найден. Университетские исследователи надеются сделать компьютер на одиночных сверххолодных атомах, содержащихся в электромагнитных ловушках, однако до создания реального устройства пока еще далеко. Удерживать единичные ионы и электроны в электромагнитных ловушках, а сверххолодные атомы в оптической патоке (см. «Химию и жизнь», 2001, № 10) научились уже давно, и некоторые из причастных к созданию методов даже получили свои Нобелевские премии (а другие, например В.С.Летохов из Института спектроскопии РАН, нет). Однако для работы квантового компьютера нужно уметь вводить несколько пойманных в ловушки атомов в связанные квантовые состояния, а потом измерять общее состояние системы. С этим не все получается гладко.

«Пока что никто не сумел показать, что имеющийся у него массив кубитов работает как квантовый компьютер, то есть позволяет реализовывать тестовое вычисление — разложение на сомножители большого числа — выполнять так называемый алгоритм Шора. А вот другой тип подобных устройств, квантовые симуляторы, уже существует. Создаваемый нами квантовый симулятор на базе отдельных атомов будет аналоговым, то есть он работает как аналог реальной квантово-механической системы. С таким аналогом можно будет выполнять манипуляции, невозможные с реальной системой, и на основании этого судить о ее поведении. Например, такой системой может быть молекула. Задав каждому из нескольких кубитов симулятора определенное квантовое состояние, мы сможем узнать квантовое состояние молекулы, построенной из такого же количества атомов. Даже такой несовершенный квантовый компьютер уже может быть использован в химии, например для разработки новых молекул с определенными, в том числе целебными свойствами», — говорит профессор Кулик.

В ловушке, на которую указывает сотрудник лаборатории, находится атом, способный стать кубитом квантового компьютера или симулятора

Квантовые симуляторы представляют интерес при условии, что проводимое на них моделирование реальных квантовых систем быстрее и точнее, чем на цифровых компьютерах. А время расчета зависит от числа элементов в моделируемой системе. Теоретически уже расчет молекулы из полусотни атомов требует значительных затрат времени мощного компьютера, квантовый же симулятор мог бы сделать это практически мгновенно. Однако для этого он должен состоять из полусотни кубитов. Пока работающих симуляторов такого размера не создано. Максимум, которого достигли исследователи на наиболее распространенных симуляторах с кубитами атомов, ионов или сверхпроводящих токов, — это девять кубитов. Для отлаживания методов работы с квантовыми устройствами это подходит, а для того, чтобы составить конкуренцию цифровым моделям, — пока еще нет.

Проблема даже не только в том, чтобы собрать в одном месте десятки и сотни квантовых объектов. Чем больше кубитов, тем труднее осуществить адресацию — дать каждому требуемое состояние и сохранить эти состояния до тех пор, пока не будут сняты результаты моделирования. Исследователи полагают, что такие ограничения размера искусственной квантовой системы не носят принципиального характера и, стало быть, увеличению числа кубитов в симуляторе ничто не препятствует, кроме несовершенства техники работы с кубитами. А это, как подсказывает история развития технической цивилизации, дело наживное. В самом деле, могли бы создатели квантовой механики век назад предполагать, что эта идея, которая многим казалась игрой ума, удобным математическим формализмом для объяснения экспериментальных данных, способна найти материальное воплощение? Однако квантовые объекты теперь можно не только целенаправленно создать, но и потрогать — например, с помощью лазерного импульса, определив таким образом квантовое состояние, которое объект примет под влиянием измерения. Не будет ничего невероятного в том, что завтра свойствами подобных объектов человек начнет пользоваться для решения вполне утилитарных задач.