четырьмя пользователями
Беседовала Кристина Иванова
Казанские ученые совместно с петербургскими коллегами из Университета информационных технологий, механики и оптики летом этого года запустили пилотный сегмент квантового интернета. Причем квантовая сеть в Казани полностью основана на отечественных разработках и по техническим параметрам не уступает, а по некоторым показателям превосходит передовые европейские аналоги. Уже в ближайшие несколько месяцев ученые Казанского квантового центра намерены продемонстрировать квантовые коммуникации между четырьмя пользователями, используя коммерческие оптические линии «Таттелекома», и стать первыми в стране по созданию квантовой сети.
Преимущества квантовых коммуникаций обусловлены тем, что они почти полностью неуязвимы для хакерских атак, поскольку носителями информации служат одиночные фотоны, которые при попытке перехвата необратимо изменяются и пользователи сразу узнают о любом вторжении в канал передачи информации. Именно поэтому квантовые технологии активно развиваются и, по утверждению нашего собеседника, мы не успеем оглянуться, как они скоро войдут в нашу повседневную жизнь.
Когда в Татарстане запустят квантовый интернет, способны ли ученые региона создать первый в мире квантовый компьютер — об этом в интервью KazanFirst рассказывает директор Казанского квантового центра КНИТУ-КАИ, доктор физико-математических наук, профессор Сергей Моисеев.
________________________________________________
Квантовая сеть — коммуникационная сеть, защищающая передаваемые данные на основе использования фундаментальных законов квантовой механики. В квантовых сетях, использующих в качестве среды передачи оптоволокно или свободное пространство, важную роль играет передача квантовых состояний отдельных фотонов, являющихся переносчиками информации на большие расстояния
________________________________________________
— Совсем недавно известный московский ученый Алексей Желтиков стал победителем конкурса мегагрантов с проектом «Световодные системы для квантовых технологий» по созданию новой лаборатории в Казанском квантовом центре КНИТУ-КАИ. На что будут потрачены эти деньги?
________________________________________________
Гранты правительства России в размере до 90 млн рублей каждый выделяются на проведение научных исследований в течение трех лет (2017-2019 годы) с возможным продлением на два года
________________________________________________
— Мегагрант направлен на создание лаборатории ведущими учеными. Профессор Желтиков — один из мировых научных лидеров в области исследования нелинейных и быстрых оптических процессов, происходящих в оптическом волокне. Под его руководством в создаваемой лаборатории будут, например, изучать генерацию однофотонных полей в оптоволокне, управлять его состоянием. Надо научиться генерировать отдельные фотоны в оптических волокнах непосредственно, поскольку это открывает большие возможности для решения задач оптической квантовой информатики, например, для тех же квантовых коммуникаций, основанных на использовании оптоволоконных линий связи.
Победу в получении мегагранта нельзя объяснить одним везением. Мы уже давно занимаемся разработкой оптических квантовых информационных технологий. Наши работы хорошо и давно известны специалистам, в том числе за рубежом.
Хотя наши научно-исследовательские разработки носят ориентированный, то есть во многом прикладной характер, но они в то же время находятся на стыке с фундаментальной наукой. Нас в этих работах будет сильно интересовать и квантовая память, которая является платформой квантовых информационных технологий.
У многих из нас сейчас есть флешки с объемом памяти в несколько гигабайтов, есть и жесткие диски, крайне необходимые для любого классического компьютера. Аналогично и квантовая память совершенно необходима для устройств квантовой обработки информации, особенно для квантового компьютера. Но квантовая память — это очень деликатный, чувствительный прибор. Она запоминает не биты, а квантовые биты (кубиты). Из-за этого у нее возникает много интересных свойств и возможностей, как и у квантовой информатики в целом.
— Где возможно практическое применение квантовой памяти?
— Квантовая память в первую очередь необходима для создания универсального мощного квантового компьютера. Второе ее приложение — создание на ее основе квантового репитера, который нужен, чтобы передавать квантовую информацию на большие расстояния, тысячи километров. Стоит один раз считать информацию из квантовой памяти, как во второй раз считывание становится невозможным. При том, что в такой памяти может храниться большой объем информации, но вся она может разом исчезнуть после первой же попытки считать ее.
— Когда квантовый компьютер придет в дома?
— Важно, чтобы для начала кто-то создал квантовый компьютер с достаточно большим числом кубитов.
— Насколько это ближайшая перспектива?
— Пока неизвестно точно, но нельзя считать решение этой задачи невозможным. Есть основания надеяться, что на нашем веку это будет сделано. Интересно, что если квантовый компьютер сделают всего лишь на тысячи квантовых битов, то такой компьютер сумеет решать задачи, которые все классические компьютеры Земли вместе взятые решить не смогут. Это обстоятельство не дает покоя физикам, занятым решением этой поистине грандиозной задачи.
— За счет чего?
— Его информационная емкость устроена совершенно по-другому. Чтобы сохранить классическую информацию, вам нужны гигабайты, терабайты. В квантовом мире информация создается иначе. Если у вас 10 квантовых битов, то количество квантовых состояний, которыми обладает данная система, составляет 2 в степени 10. Если два возвести в тысячную степень, то такого количества атомов и ядер во Вселенной просто нет.
Помните, в детстве была загадка? Визирь сделал что-то хорошее царю, он решил его вознаградить, предложив взять сколько угодно зерна. Визирь попросил на шахматной доске на первую клеточку положить одно зерно, на вторую два, на третью четыре, то есть в два раза больше на каждую клетку, вплоть до последней 64-й клетки шахматной доски. Оказалось, что в царстве просто нет столько зерна. Тут мы имеем то же самое. Стоит в квантовом компьютере добавить всего один квантовый бит, как мощность компьютера возрастает в два раза.
Каждые полтора-два года классический компьютер становился в два раза лучше, поскольку у него увеличивается примерно в два раза память, быстродействие и т.д. Поэтому мы с готовностью меняли каждые два года свои компьютеры и другие устройства на более совершенные.
— Квантовые компьютеры не надо будет менять с такой периодичностью?
— Достаточно будет добавить один кубит к вашему будущему компьютеру, он станет в два раза мощнее.
— А как его можно будет добавить?
— Над этой проблемой (масштабирования) ученые тоже сейчас работают. Есть идеи и подходы, как объединять кубиты вместе, сохраняя все их квантовые свойства.
— Где можно будет использовать первый квантовый компьютер?
— В создании новых материалов, лекарств, которые будут побеждать смертельно опасные болезни, расшифровке болезней. Структуру ДНК установили, но в ней еще много непонятной информации, которую необходимо расшифровать. Вы можете себе представить, что вся информация о строении человека записана в одной молекуле?
Молекула внутри уже является квантовым объектом. Мы сейчас идем в этот мир и начинаем разбираться на уровне атомов и молекул. Пока что базовыми элементами являются не молекулы и атомы, а куда большие образования. Уже лет через 5-10, хотим мы этого или нет, современные технологии столкнутся с тем, что простейшими элементами всех устройств будут отдельные атомы и молекулы. А они управляются законами квантовой механики. Будут нужны квантовые инженеры, достаточно уверенно оперирующие отдельными атомами и молекулами.
— В КАИ такую специальность не собираются открывать?
— С сентября следующего года мы планируем открыть магистратуру в области квантовых технологий совместно с коллегами из Германии.
— На ваш взгляд, когда квантовые коммуникации войдут в повседневную жизнь, как интернет и телефон?
— Квантовые коммуникации уже используются в Швейцарии, Японии, США и Канаде, например, в банковской сфере, на биржах — там, где нужно оперативно охранять информацию.
Мы в России тоже это должны делать. Для внедрения этой технологии важно знать ее основные свойства и преимущества квантовых коммуникаций. Если я отправил от себя фотон, несущий информацию, то только кто-то один из вас (показывает на меня и фотографа) двоих его поймает. Фотоны часто посылаются по оптоволокну из пункта А (Алиса) в пункт Б (Боб). Если между Алисой и Бобом есть такой канал связи, то никто — ни Пентагон, ни любая другая организация — никак не сможет скопировать состояние фотона. Скопировать неизвестное квантовое состояние фотона невозможно по законам квантовой механики — доказана соответствующая теорема. Поэтому при попытке скопировать состояние фотона он теряется в оптическом канале, это сразу же становится заметным получателю (Бобу), в приемной аппаратуре которого вместо этого фотона возникнет оптический шум.
Поэтому именно законы квантовой механики гарантируют секретность, полную защиту информации. Вам не нужно будет применять сверхсложные трудоемкие математические методы обработки для создания квантового ключа — пароля, который используется для сохранения информации. Вот у вас в компьютере есть пароль, который вы иногда меняете. А здесь пароль может создаваться тысячу раз в секунду. Таким образом, квантовые коммуникации могут обеспечить просто фантастическую, невиданную степень защиты информации, совершенно недоступную любым классическим методам.
Квантовые методы защиты информации создают настоящую демократию для всех пользователей. Сейчас мы знаем, что у кого-то есть мощная система защиты информации, мощные пароли, а простые люди пользуются лишь простейшими паролями, составленными из нескольких букв и цифр, расшифровать которые при желании не составляет особого труда и современным компьютерам. Если мы станем пользоваться квантовыми линиями передачи, они будут гарантировать практически абсолютную защиту каждому пользователю.
Через десяток лет, надеемся, каждый желающий сможет воспользоваться квантовыми коммуникациями. Достаточно будет к существующему сейчас оптоволокну добавить одну опцию и аппаратуру, а в компьютер вставить дополнительную плату. Потом плата станет меньше по размеру — ее можно будет вставить даже в телефон. Вопрос в том, будем ли мы покупать эти системы за рубежом или сделаем сами.
— У нас есть шансы стать в числе первых?
— У нас очень даже неплохие шансы. Так думают многие научные сотрудники, занимающиеся оригинальными разработками, и это естественно.
— Нынешним летом казанские ученые из КАИ совместно с петербургскими коллегами из университета информационных технологий, механики и оптики (ИТМО) произвели запуск пилотного сегмента первой в России многоузловой квантовой сети. Почему сеть запускают в Казани, если оборудование сделали в Петербурге?
— С 2001 года мы начали работать над квантовой памятью. Над созданием квантового интернета в ИТМО работают с 1999 года. Несколько лет назад они сделали первое оборудование, которое позволяет передавать квантовый ключ между Алисой и Бобом, который невозможно взломать. Но им нужен также и квантовый репитер, работа которого основана на использовании квантовой памяти. Поэтому мы начали сотрудничать несколько лет назад. В 2014 году был организован наш квантовый центр. Мы пригласили Артура Викторовича Глейма — молодого талантливого ученого ИТМО — возглавить лабораторию квантовых коммуникаций в Казанском квантовом центре. В настоящее время мы вместе с коллегами из Петербурга взялись делать квантовый интернет. Мы совершенствуем оборудование, разработанное в ИТМО, стараемся сделать его работающим с большей скоростью, а также на этой основе создаем квантовую сеть в нашем городе.
— Пилотный сегмент был опробован между соседними 2-м и 8-м зданиями КАИ?
— Да. В августе мы продемонстрировали работу оборудования между двумя зданиями КНИТУ-КАИ (2-м и 8-м зданиями, расположенными на улице Четаева 18 и 18а) на расстоянии 2,5 км по оптоволокну. Параметры передачи квантового ключа — скорость, объем передачи информации — оказались не хуже европейских. В настоящее время мы хотим создать квантовую сеть в Казани в конце этого — начале будущего года. Она будет включать уже четыре разбросанные по Казани точки — 1-е, 8-е здания КАИ, «Таттелеком» и еще одно здание. Расстояние составит уже несколько километров, десятки километров, если считать по внутренним сетям.
Наша задача — показать, что эта технология работает, что она перспективна. В России пока нет таких сетей, содержащих четыре и более узлов связи. Предстоит также сертифицировать все оборудование. Наша система квантовых коммуникаций оригинальна. Кроме того, она информационно более емкая и способна обеспечить большую скорость работы, чем европейская.
— Где вы видите дальнейшее применение квантового интернета в Татарстане?
— Мы можем ожидать в первую очередь интерес со стороны государственных структур и частных компаний, банков, в тех отраслях, где важна защита информации.
— Я читала о вашем проекте соединить квантовыми коммуникациями Казань и Челны…
— Когда мы соединим четыре точки, возможно, следующим проектом станет создание квантовых коммуникаций между Казанью и Набережными Челнами.
— Тот, кто первым сделает квантовый компьютер, получит Нобелевскую премию?
— Многие современные работы, удостоенные Нобелевской премии, значительно уступают по своему значению задаче создания квантового компьютера. На заре его создания была обещана премия в $1 млрд тому, кто его изготовит. Нобелевская премия — это миллион долларов. То есть универсальный квантовый компьютер оценивается примерно в тысячу Нобелевских премий.
Работы ведут сильнейшие научные группы. Тот, кто сделает квантовый компьютер, будет со всеми основаниями признан владельцем основных квантовых информационных технологий, станет таким Демиургом.
Фото: Василий Иванов
Comment section