Русские учёные о возможностях квантовой связи и создании квантового компьютера

[ru_an_info]

03 января 2022
Основное преимущество квантовой телефонии - невозможность перехвата передаваемой информации. Об этом в интервью RT рассказал доктор физико-математических наук, профессор кафедры квантовой электроники, научный руководитель Центра квантовых технологий физического факультета МГУ Сергей Кулик. По его словам, эта технология уже прошла стадию экспериментов и готова к выводу в серийное производство. Кулик отметил, что Россия находится «в первой лиге» в сфере квантовых коммуникаций. В то же время, как подчёркивает учёный, создать квантовый компьютер, пригодный для решения практических задач, пока не удалось никому в мире, несмотря на оптимистичные отчёты о рекордах в этой области.

• Legion-Media
• © James Thew

- Сергей Павлович, в декабре в МГУ состоялась презентация линии защищённой квантовой телефонии, которая связала 20 абонентских пунктов на территории университета. Расскажите, пожалуйста, об этой сети. Что пришлось сделать, чтобы она заработала?

- Путь был долгим. Всё началось в 2018 году, когда мы решили внедрить технологию квантового определения ключей, создать такую сеть. Тогда как раз проходил чемпионат мира по футболу, и около МГУ располагалась одна из фан-зон. А нам именно на этом участке нужно было проложить волокно, чтобы связать в единую сеть главное здание МГУ, физфак, Центр квантовых технологий, а также здание индустриального партнёра проекта - компании «Инфотекс», которое тогда находилось в районе метро «Динамо». Прокладывать пришлось в сложных условиях, однако в итоге всё же это было сделано.

Ну а дальше было дело техники. У нас на тот момент уже было экспериментальное оборудование, которое позволяло бесшовным образом квантовые ключи интегрировать в шифраторы, мы его лишь немного адаптировали. Уже тогда заработала маленькая сеть, с которой и начался наш проект. Далее, примерно в 2019-2020 годах мы занимались совершенствованием оборудования, а экспериментальная квантовая сеть заработала в сентябре 2021-го. В декабре же состоялся торжественный запуск - так мы подвели своеобразный итог Года науки и технологий.

• Демонстрационный образец квантового телефона, представленный на торжественной презентации в МГУ 16 декабря 2021 года
• © RT

- Расскажите, пожалуйста, о принципе работы квантовой связи.

- Речь идёт о «классическом» режиме работысистемыквантового распределения ключей. В рамках этой системы есть два канала связи. Один - квантовый, по которому передаются квантовые состояния света. Второй - классический канал, по которому происходит обмен вспомогательной информацией, необходимой для правильной работы протокола квантовой криптографии.

Совокупность этих каналов образует схему, которая работает по определённому протоколу. Мы используем российский протокол, он давно запатентован МГУ.

На самом деле, таких «игрушек» - квантовых сетей - уже существует немало и в России, и за рубежом. Проблема в том, чтобы эти сети правильно положить на криптографию, чтобы те биты информации, которые потом станут битами ключа, правильно запустить в шифраторы. Правильно с точки зрения классической криптографии.

Этот путь мы проделали вместе с нашим индустриальным партнёром - компанией «Инфотекс», которая имеет большой опыт производства подобной аппаратуры. А научная база была создана ещё много лет назад. Важно было грамотно сделать всё с точки зрения криптографии - и мы это сделали.

- Верно ли, что на сегодняшний день технологии квантовой связи вышли на первый план, опередив квантовые вычисления? И если да, то почему?

- Если измерять прогресс какими-то количественными показателями - например, уровнем технической готовности, то да. Потому что квантовые коммуникации, такие как наша сеть, уже близки к сертификации; есть не только опытные образцы оборудования, а уже налажено серийное производство. Достигнут высокий уровень технологической готовности.

А в квантовых вычислениях мы пока находимся на стадии экспериментов. Преодолеваем существенные проблемы фундаментального порядка, чтобы сделать даже примитивные малокубитные квантовые компьютеры. Если оценивать техническую готовность по десятибалльной шкале, то квантовая связь имеет сейчас девять баллов, а квантовые компьютеры - от силы четыре.

- Такое соотношение наблюдается только в России?

- Примерно так же дело обстоит и в других странах.

• Сергей Кулик
• © ПостНаука/YouTube

- Ранее появилась информация о запуске в Китае квантовой сотовой связи - то есть, пользователи могут звонить по защищённой линии не только по стационарным телефонам, но и по мобильным, используя специальную сим-карту и приложения. Получается, возможна не только кабельная, но и мобильная квантовая связь?

- В принципе, да. У нас тоже подобное есть. Например, я говорю по мобильному телефону, который включён в квантовую сеть МГУ. К ней можно подключать мобильные устройства с помощью специального программного обеспечения, тоже сертифицированного для определённого класса защиты.

Однако надо понимать, что высокий уровень защиты обеспечивается именно между стационарными устройствами, которые соединены между собой либо волокном, либо атмосферным прямым каналом. Именно в этой системе вырабатываются защищённые квантовые ключи. Они могут потом выступать как мастер-ключи для производных, которые уже используются в мобильных устройствах.

- Но эти производные ключи уже не дают такой защиты информации?

- Да, такая связь уже меньше защищена, чем разговор по стационарному квантовому телефону. Однако поскольку в этом случае мастер-ключи тоже квантовые, они часто меняются, и степень защиты всё равно достаточно высокая.

- Конфиденциальность - это главное достоинство квантовой связи? Или есть ещё какие-то дополнительные плюсы?

- Вообще, современные средства шифрования способны обеспечить конфиденциальность с лихвой, даже без применения квантовых технологий. Основное достоинство квантовой связи в том, что эта система работает автоматически, без участия человека. И какие-либо утечки через оператора полностью исключены. Думаю, что в этом и состоит основное преимущество. Мало того, что квантовая связь защищена часто меняющимися ключами, она работает сама. В отличие от обычных сетей, где роль системного администратора, как вы понимаете, значительна.

- Очевидно, что квантовая связь представляет особый интерес для спецслужб, военных, которые всегда нуждаются в максимально защищённых каналах связи. А обычным людям нужен ли квантовый телефон? Будет ли эта технология массово применяться в гражданском секторе?

- Это довольно дорогие системы, поэтому не думаю, что в ближайшее время они найдут спрос у массовых потребителей. Цена складывается из высокой стоимости отдельных комплектующих, а также в неё обычно включается стоимость разработки. Так что пока квантовые телефоны намного дороже, чем обычные смартфоны, хотя их стоимость неуклонно снижается. Применительно к нашей разработке могу сказать, что за три года комплектующие подешевели в разы.

• Здание МГУ
• © Konstantin Kokoshkin/Global Look Press

- За последнее время тема квантовых технологий вышла на первый план не только в России - например, британский премьер Борис Джонсон заявил о планах Лондона стать лидером в области квантовых вычислений. Какие, на ваш взгляд, страны сейчас лидируют в этой области? И каковы позиции России?

-Если говорить в целом, то, наверное, лидеры - США и КНР, далее идёт Евросоюз, Япония, Юго-Восточная Азия, Россия… Квантовые технологии включают в себя три направления: коммуникации, вычисления и сенсоры. В сфере квантовых коммуникаций мы находимся в первой лиге, безусловно. В квантовых вычислениях наши позиции значительно ниже, хотя мы стараемся развить и это направление.

- Вы ещё упомянули квантовые сенсоры, какие функции они выполняют?

- Это чувствительные устройства, которые действуют на принципах квантовой механики и существенно опираются на свойства индивидуальных квантовых объектов - электронов, атомов. Это могут быть магнитометры, градиометры, гравиметры и т. д., чувствительность которых существенно превосходит чувствительность классических аналогов. Такая аппаратура востребована в навигации, в медицине, геологоразведке - в очень многих отраслях..

- Расскажите, пожалуйста, как продвигается работа над квантовым компьютером. Об этом проекте вы рассказывали в интервью RTв 2019 году. На какой он сейчас стадии?

- Проект развивается, но нужно трезво соотносить ту эйфорию, которая сейчас окружает эту тему, с реальностью. Я могу сказать, что каждый шаг в сфере квантовых вычислений даётся тяжело. Природа сильно сопротивляется тому, чтобы квантовый компьютер был создан. Эта область ещё очень слабо проработана даже на экспериментальном уровне, хорошая проработка есть только на уровне теории. Однако, чтобы воплотить на практике те обещания, которые дают теоретики, нужно очень много работать. У нас есть ощутимое отставание в этой области, поэтому сейчас мы стараемся догнать. Правда, сложно догнать тех, кто тоже не стоит на месте, поэтому мы просто делаем то, что возможно. Предпринимаются титанические усилия, чтобы если не победить, то понять природу. Это тяжело, но мы движемся в этом направлении.

- А если конкретнее, то за последние годы удалось преодолеть какие-то этапы?

- Нужно разделять те «рекорды», о которых разработчики обычно сообщают прессе, и реальный прогресс. О первом даже и говорить не хочется, а вот реальность - она тяжёлая.

Сейчас мы находимся на этапе создания устройств без кодов коррекции ошибок по четырём основным платформам - сверхпроводники, ионы в ловушках, нейтральные атомы и фотонные чипы. Это класс устройств с очень малым количеством кубитов - порядка десяти. Надеемся, что число задействованных кубитов будет в дальнейшем расти.

Но нужно понимать, что сам по себе этот показатель - число кубитов - ни о чём не говорит. Надо ещё смотреть на качество производимых операций, т.е. оценивать ситуацию комплексно. И с этого ракурса всё выглядит не очень оптимистично.

• Legion-Media
• © Stephan Siedler

- Поясните, пожалуйста, что это за коррекция ошибок, о которой вы упомянули?

- Идеальный, универсальный квантовый компьютер - это фактически сопроцессор, который встроен в классический вычислительный кластер. Этот сопроцессор ускоряет определённые алгоритмы, их не так много. В теории ясно, что для работы квантового сопроцессора нужно, чтобы очень хрупкие квантовые состояния постоянно корректировались. Речь идёт о корректировке неизбежно возникающих ошибок, в основном в результате взаимодействия с окружающей средой. Причём исправлять эти ошибки нужно так, чтобы экспериментатор полностью контролировал этот процесс.

И этого пока никто не умеет делать. Сейчас предпринимаются только очень робкие попытки, но всё это далеко от практического применения. Поэтому мир пошёл по несколько иному пути. Строятся среднемасштабные устройства примерно около ста кубитов, у которых нет кодов коррекции ошибок. Есть надежда, что определённые алгоритмы можно выполнять таким образом. И те рекорды, о которых все слышали, квантовое превосходство, которое было продемонстрировано, связано с этими работами. Но оно продемонстрировано на специально придуманных алгоритмах, которые не имеют практического применения. Поэтому возникает вопрос - а зачем нужны такие рекорды?

- Сейчас очень популярна тема блокчейна и криптовалют. Верно ли я понимаю, что квантовый компьютер, когда он всё же будет создан, аннулирует все криптовалюты, поскольку в этом случае получится расшифровать их транзакции?

- Получится, но это будет очень нескоро. В теории одно, а в жизни - совсем другая история. Сегодня мы умеем оперировать с единицами, ну с десятком кубитов. А для этой задачи их нужны тысячи. И путь от десяти кубитов к тысяче - он нелинейный. Нужно потратить столько ресурсов, чтобы получить эти тысячи кубитов, что сегодня даже непонятно, как это сделать. Но мы оптимисты, пытаемся двигаться к этому, преодолевая разные трудности. Хотя есть немало людей, которые заявили бы, что это - ближайшее будущее, и даже пообещали бы сделать такой компьютер уже завтра, если им дадут денег.

• Legion-Media
• © Hanna Kuprevich

- Какое будущее ждёт обычные компьютеры? Будут ли они дальше развиваться?

- Пока классические компьютеры развиваются, хотя закон Мора в общем, уже нарушается. Но пока никто из нас не столкнулся с проблемой недостаточного быстродействия компьютера на бытовом уровне. Что касается специальных задач - это отдельная тема.

-А какие нерешённые до сих пор задачи смогут решить квантовые компьютеры?

- В первую очередь речь идёт об оптимизационных задачах, связанных с перебором большого массива данных. Квантовые компьютеры смогут делать это намного быстрее, чем классические. Приведу условное сравнение - это как странствующий коммивояжёр, которому нужно объездить N пунктов и выбрать оптимальную стратегию по выбору маршрута за минимальное время. Это задачи управления, поиска какого-нибудь минимального значения и т. п.

Click to view

Постоянный адрес статьи: http://xn----ctbsbazhbctieai.ru-an.info/новости/русские-учёные-о-возможностях-квантовой-связи-и-создании-квантового-компьютера/welcome-1-8-2/