«Важно не только представить будущее, но и спуститься на землю и рассказать о том, как небольшая команда в университете МИЭМ в России с 2001 года разработала собственную квантовую технологию.
Объединяй и властвуй — как создать из квантовых компьютеров квантовый интернет
Быстрый прогресс, достигнутый в области квантовых технологий в последние годы, даже за последние несколько месяцев, очень впечатляет. Появляются все более смелые эксперименты и устройства, о которых основатели квантовой механики не могли даже мечтать! Naked Science рассматривает происходящее прямо сейчас в этой четвертой статье нашего «Квантового цикла».
Это началось очень, очень давно. В 9 часов вечера 29 ноября 1969 года на экране совершенно нового компьютера Honeywell DDP-516 в кампусе Стэнфордского университета (Калифорния, США) вдруг появились две буквы LO. Никто из находившихся рядом инженеров не прикасался к устройству ввода. Откуда взялись таинственные письма и что они означают?
Появление первой сети
Информация пришла издалека. В Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, расположенном в 600 милях от Стэнфорда, оператор того же цифрового компьютера пытался удаленно войти в компьютер Стэнфорда, набирая одну за другой буквы слова LOGIN. Передача первых двух букв по существующим телефонным линиям AT&T прошла успешно, но на третьей букве система дала сбой. Через час передача данных по сети была успешно завершена, положив начало первой в истории человечества компьютерной сети ARPANET.
ARPANET, которая начиналась всего с двух терминалов, быстро росла и к 1973 году насчитывала несколько десятков серверов, расположенных не только в США, но и в Европе. Десятилетие спустя в дополнение к ARPANET (финансируемой Агентством передовых оборонных исследовательских проектов США DARPA) Национальным научным фондом США (NSF) была запущена сеть NSFNet, призванная способствовать эффективному обмену информацией между научными учреждениями и совместному использованию вычислительных ресурсов (включая суперкомпьютеры). Благодаря новым технологиям NSFNet работала гораздо быстрее, чем ее предшественница, и количество подключенных компьютеров быстро росло. В 1990 году она сменила устаревшую ARPANET и через несколько лет стала основой Интернета.
Сеть объединяет
Перечислять все преимущества Интернета (не говоря уже о его недостатках) просто лень: За три десятилетия своего существования эта технология все больше и больше интегрировалась в нашу повседневную жизнь и проникла практически во все сферы. Появление персональных компьютеров и их объединение в глобальную сеть привело к созданию совершенно новых секторов экономики и радикально изменило то, как мы работаем с информацией. Вы бы даже не читали этот текст, если бы у вас не было доступа к интернету.
Но какое отношение это имеет к квантовым технологиям? Нетрудно провести поверхностную аналогию — если мы можем объединить в сеть классические компьютеры, то мы можем объединить в сеть и квантовые компьютеры. Провод здесь, провод там — и вуаля, квантовый интернет готов! Звучит не сложнее, чем настройка нового WiFi-роутера, верно? Как всегда, дьявол кроется в деталях.
Как мы писали во второй статье нашего цикла, в 2016 году компания IBM открыла публичный доступ к прототипам своих квантовых компьютеров в режиме онлайн. За последние пять лет количество квантовых компьютеров IBM, подключенных к сети, увеличилось до более чем двенадцати, а их географическое размещение охватывает несколько континентов. Так можем ли мы предположить, что квантовый интернет уже создан? К сожалению, все не так просто.
Хотя IBM (и ее конкуренты в квантовой гонке) могут передавать данные через Интернет, они делают это путем преобразования квантовых битов (кубитов) в классическую информацию — известные нам нули и единицы. К сожалению, при таком преобразовании теряются квантовые свойства кубитов — суперпозиция и чередование, которые давали кубитам преимущество перед классическими битами. Следовательно, невозможно будет выполнять такие распределенные квантовые вычисления на нескольких сетевых квантовых компьютерах — данное квантовое состояние будет существовать только в каждом из устройств, но не будет распределено между ними.
Однако если обойти вышеописанное преобразование и напрямую соединить кубиты в сеть так, чтобы их квантовое состояние сохранялось при переходе от одного компьютера к другому, то можно было бы запустить полномасштабные квантовые компьютеры на существующих прототипах квантовых процессоров с несколькими десятками кубитов. Объединив множество таких устройств, которые уже начинают появляться в лабораториях по всему миру, мы также сможем достичь совокупной вычислительной мощности (количество надежно работающих кубитов), намного превосходящей любой отдельный процессор и достаточной для решения реальных задач (включая выполнение алгоритма Шора).
Осенью физики из Лаборатории оптических квантовых технологий Московского государственного университета и Московского государственного университета и Фонда перспективных исследований провели испытания автоматической квантовой системы связи на расстоянии 32 км между Ногинском и Павловским Посадом.
Квантовая связь
Технологический прогресс в области телекоммуникаций не стоит на месте. Кажется, что высокоскоростной интернет только недавно начал достигать самых отдаленных уголков планеты, поскольку ученые уже говорят о внедрении квантовой связи.
Квантовая связь — это набор методов для передачи зашифрованной информации в квантовых состояниях из одной точки в другую. Квантовая связь позволяет передавать информацию в зашифрованном виде.
Основная идея квантовой криптографии заключается в том, что сообщения полностью зашифровываются таким образом, что третьи лица не могут их перехватить. Каждое передаваемое сообщение содержит свой уникальный секретный ключ. Абсолютная секретность передаваемой информации гарантируется законами природы, а не вычислительными и техническими возможностями.
Сигналы передаются через поток отдельных фотонов. Фотон нельзя дискретно разделить, измерить, скопировать или вычесть. Эти процессы просто уничтожают фотон, и он не может достичь своего приемника.
Применение квантовой связи: квантовые линии связи, спутник квантовой связи, квантовая телефонная связь
Квантовая связь на основе интерференции используется сегодня особенно в тех областях, где требуются особые условия безопасности, например, в банковском секторе.
В России в 2016 году у нас появилась первая в стране линия квантовой запутанности. Эта линия соединила 2 филиала «Газпрома» в Москве. А общая длина этой квантовой линии связи составила чуть более 30 километров.
А недавно первая линия дальнего следования была открыта в Ленинградской области. Его длина составляет уже 60 км.
Однако такое наземное общение не происходит во всем мире. Спутник, на который возлагаются очень большие надежды, должен расширить границы квантовой связи. Применяя квантовую связь, исследователи спутников рассчитывают увеличить реализацию квантового распределения ключей до 7 тысяч километров. А если таких спутников будет много, они смогут обеспечить не только глобальное распространение квантового интернета, но и квантовую связь в космосе.
Первый такой спутник был запущен Китаем в 2016 году. Основной целью запуска китайского спутника квантовой связи было изучение распространения квантовой связи на пути от спутника к Земле. И уже были проведены успешные эксперименты, в ходе которых сигнал с «Мициуса» прошел через атмосферу и был принят двумя наземными станциями. Испытания спутника квантовой связи в Китае были завершены в 2017 году. Спутник был введен в эксплуатацию.
А в 2017 году в МГУ был протестирован первый квантовый телефон. Ученые сообщают, что квантовый телефон не только обеспечивает безопасную связь, но и не зависит от расстояния или погодных условий. При разработке такого телефона была достигнута полная помехоустойчивость.
Квантовый телефон активно разрабатывается в Корее. Южная Корея уже готовится представить городские кроссоверы, оснащенные такими телефонами. Считается, что квантовая телефония может заменить наши обычные мобильные телефоны.
Возможные проблемы квантовой связи
Квантовая связь находится только в начале своего развития. Основная проблема заключается в финансировании.
Основная проблема заключается в финансировании. Исследование и разработка квантовых линий связи требует больших инвестиций. Основная проблема заключается в том, что исследования и разработка квантовых линий связи требуют больших инвестиций. Но правительства прекрасно знают о потенциале квантовой связи и не жалеют средств на ее развитие.
Другая проблема заключается в том, что бит может быть скопирован только один раз. Это означает, что информация может быть передана только с помощью квантовой связи. После этого с ним больше ничего нельзя сделать. В настоящее время ученые пытаются решить эту проблему. Например, они пытаются создать запутанные пары фотонов, используя технологии квантовой связи. С их помощью можно было бы отправлять из одной точки в два конца и соединять две удаленные точки. Если создать множество таких узлов, то можно будет установить линию связи на бесконечно большие расстояния. Но эта идея также требует квантовой памяти. И это только на стадии разработки.
Квантовая связь открывает большие перспективы для развития телекоммуникаций. Поэтому в этом направлении сейчас работают великие умы не только в нашей стране, но и в мире. О современном состоянии и перспективах развития мобильной и беспроводной связи можно прочитать в книге «Мобильные коммуникации на пути к 6G».
