Впечатляющий прогресс, наблюдаемый в последние годы и даже месяцы, в сфере квантовых технологий не может не вызывать восхищение. Появляются все более инновационные эксперименты и устройства, которые превосходят самые смелые представления основателей квантовой механики! В этой, четвертой статье нашего «квантового цикла», Naked Science расскажет о текущих событиях в этой области».
(Окончание. Начало см. тут: 1, 2, 3).
Всё началось задолго до наших дней. В 21:00 29 ноября 1969 года на экране нового компьютера Honeywell DDP-516, расположенного на территории Стэнфордского университета (Калифорния, США), неожиданно появились две буквы LO. Никто из инженеров, находившихся поблизости, не взаимодействовал с устройствами ввода. Происхождение этих загадочных букв и их значение до сих пор остаются неясными?
Появление первой сети
Новость поступила из отдаленного места. В 600 километрах от Стэнфорда, в Калифорнийском университете Лос-Анджелеса, сотрудник, используя идентичный цифровой компьютер, попытался установить удаленное подключение к компьютеру в Стэнфорде, последовательно вводя буквы слова LOGIN. Первые две буквы были успешно переданы по телефонным линиям компании AT&T, однако на третьей букве произошел системный сбой. Через час передачу данных по сети удалось завершить успешно, что ознаменовало создание первой компьютерной сети в истории человечества, ARPANET.
Начав с всего двух узлов, сеть ARPANET быстро расширялась и к 1973 году объединяла уже несколько десятков серверов, расположенных не только в США, но и в Европе. Через десять лет, параллельно с ARPANET (которая финансировалась Агентством перспективных исследований при министерстве обороны США, DARPA), была создана сеть Национального научного фонда США (National Science Fund, NSF), известная как NSFNet. NSFNet была разработана для обеспечения эффективного обмена информацией между научными организациями и предоставления совместного доступа к вычислительным ресурсам, включая суперкомпьютеры. Благодаря использованию передовых технологий, NSFNet значительно превосходила по скорости свою предшественницу, а число подключенных к ней компьютеров увеличивалось с огромной скоростью. В 1990 году она заменила устаревшую ARPANET, а еще через два года стала фундаментом современной сети Интернет.
Сеть объединяет
Подробно перечислять все преимущества интернета, не затрагивая его недостатки, нецелесообразно: за три десятилетия развития эта технология стала неотъемлемой частью нашей жизни, охватив практически все её аспекты. Развитие персональных компьютеров и их объединение в глобальную сеть открыли новые возможности в экономике и существенно изменили способы работы с информацией. Скорее всего, вы не смогли бы прочитать этот текст без доступа к интернету.
Но как связаны эти рассуждения с квантовыми технологиями? Провести простую параллель довольно легко — подобно тому, как были объединены в сеть классические компьютеры, можно соединить и квантовые устройства. Один кабель к этому устройству, другой — к тому, и, вот, квантовый интернет готов! На первый взгляд, это не выглядит сложнее, чем настройка нового WiFi-роутера, не так ли? Однако, как это часто бывает, настоящие трудности скрываются в нюансах.
С одной стороны, как мы писали во второй статье нашей серии, еще в 2016 году компания IBM открыла доступ к прототипам своих квантовых компьютеров для всех желающих через интернет. За прошедшие пять лет количество подключенных к сети квантовых компьютеров IBM перевалило за десяток, а география их размещения охватила несколько континентов. Можно ли тогда считать, что квантовый интернет уже создан? Увы, не все так просто.
Хотя устройства IBM (и компаний, конкурирующих с ней в области квантовых технологий), способны передавать информацию через Интернет, это сопряжено с преобразованием квантовых битов (кубитов) в классические данные — привычные нули и единицы. В результате такого преобразования, неизбежно теряются ключевые квантовые характеристики кубитов, такие как суперпозиция и запутанность, благодаря которым они превосходят классические биты. Следовательно, распределенные квантовые вычисления, использующие несколько квантовых компьютеров, объединенных в сеть, невозможны — квантовое состояние будет сохраняться только внутри каждого отдельного устройства, но не будет распределено между ними.
В противном случае, если бы удалось избежать упомянутого выше преобразования и напрямую передавать кубиты по сети, сохраняя их квантовое состояние при передаче между компьютерами, то появилась бы возможность проводить полноценные квантовые вычисления на текущих прототипах квантовых процессоров, содержащих десятки кубитов. Объединив в сеть множество таких устройств, разрабатываемых в лабораториях по всему миру, можно было бы достичь совокупной вычислительной мощности (количества стабильно функционирующих кубитов), значительно превышающей возможности каждого отдельного процессора, и достаточной для решения практических задач, включая реализацию алгоритма Шора).
Конфиденциальный доступ
Квантовая сеть, обеспечивающая передачу кубитов между своими узлами, обладает еще одним преимуществом: она позволяет организовать защищенный доступ к ресурсам любого квантового компьютера, размещенного в облаке. Это означает, что при подключении к квантовому компьютеру через квантовый канал, пользователь может не только выполнять на нем произвольные квантовые алгоритмы и получать результаты, но и делать это, не раскрывая никаких своих данных. Следовательно, квантовый компьютер способен выполнять операции с квантовыми данными, не имея информации ни о конкретном алгоритме, ни о переданных ему данных. Дополнительным условием для функционирования такой системы (помимо квантового канала связи) является наличие пользовательского терминала, поддерживающего выполнение однокубитных операций.
В качестве альтернативы, систему можно существенно упростить, исключив из нее квантовый компьютер и оставив лишь пару квантовых терминалов для генерации и считывания отдельных кубитов, соединенных квантовым каналом. Даже такая упрощенная схема квантовой коммуникации имеет значительное преимущество перед классическими сетями, и причина этого – безопасность передаваемой информации. Как мы уже отмечали во второй статье серии, создание квантового компьютера, способного выполнять алгоритм Шора, представляет угрозу для защищенной передачи зашифрованных данных в интернете (и потенциально ставит под угрозу не только текущие и будущие передачи, но и все ранее осуществленные в Сети). В отличие от классических методов шифрования, в квантовой коммуникации безопасность данных гарантируется не сложностью математических вычислений, а фундаментальными квантовыми свойствами – суперпозицией и запутанностью, поэтому квантовым компьютерам такие сети не уязвимы.
Фотоны – лучшие друзья
Идея квантово-защищенной передачи данных возникла еще в 1980-х годах и получила первую практическую проверку в 1989 году. Тогда в лаборатории IBM был разработан прототип оптического устройства, способного передавать и принимать зашифрованные фотоны на расстояние в полметра. С самого начала стало ясно, что передача данных посредством света – наиболее удобный способ создания квантовых сетей. Это обусловлено тем, что фотоны обладают квантовыми свойствами, а их квантовое состояние, например, поляризация, может быть использовано для шифрования.
Существование обширной сети каналов связи на основе стеклянного оптоволокна, по которым передается постоянно растущий объем данных в интернете, является еще одним доводом в пользу использования фотонов. Ранее эта технология применялась в промышленности, однако сейчас оптоволоконные кабели часто прокладываются непосредственно до роутеров в жилых помещениях, обеспечивая беспрецедентные скорости передачи данных, достигающие гигабитов в секунду. Эти же линии связи потенциально пригодны для создания квантовых сетей, если добавить к фотонным источникам и детекторам функциональность кодирования и декодирования их поляризации.
Использование оптоволокна для квантовой связи сталкивается с одной значительной сложностью – оптическими потерями. Хотя стекло, из которого изготовлено оптоволокно, обладает высокой прозрачностью для света, микроскопические дефекты и неоднородности, возникающие в процессе промышленного производства, вызывают рассеяние и поглощение части фотонов при их прохождении по волокну. Для классических сигналов, содержащих большое количество фотонов в каждом световом пучке, эта проблема решаема. Прежде всего, часть фотонов всегда достигает приемника, а во-вторых, классический сигнал можно усилить с помощью коммерчески доступных оптических усилителей. Это позволяет передавать классические сигналы по оптоволокну на расстояния до нескольких сотен или даже тысяч километров.
Около 50% фотонов, передающихся по оптоволокну, затухают на каждом участке в 10 километров
Квантовые каналы представляют собой более сложную задачу, поскольку для передачи информации необходимо использовать не просто пучки света, а отдельные фотоны. При распространении по протяженным оптическим волокнам примерно половина фотонов теряется на каждые 10 километров, что существенно ограничивает возможность создания квантовой связи по оптоволокну на расстояния, превышающие 100-200 километров. В пределах одного города это ограничение не является критичным (квантовые защищенные линии связи уже реализованы во многих городах мира, включая Москву), однако передача квантовых данных между городами становится серьезной проблемой. Помимо этого, оптические потери и шум, возникающий в детекторах одиночных фотонов, зачастую снижают скорость передачи данных в квантовых сетях до килобитов в секунду, в отличие от привычных мега- и гигабит в традиционных сетях).
Просто космос
Заявленная разница в скорости передачи данных не является существенной, поскольку текущая пропускная способность в тысячи килобит в секунду вполне достаточна для управления квантовыми компьютерами и создания систем защищенной передачи данных. Однако, необходимо решать проблему ограничения дальности передачи, и на данный момент существует два основных подхода для преодоления ограничения в сотню-другую километров. Один из них отличается простотой и одновременно демонстрирует гениальность своей реализации: стоит ли рассмотреть альтернативные среды передачи с меньшими потерями вместо стеклянного волокна, такие как разреженный воздух или, что еще предпочтительнее, вакуум?
Вероятно, вы уже понимаете, что речь идет о передаче квантовых сигналов на значительные расстояния с использованием спутниковых каналов связи. В подобной системе большая часть потерь фотонов приходится на первые 5-10 километров распространения в атмосфере, после чего воздух становится достаточно разреженным, чтобы этими потерями можно было пренебречь. Таким образом, даже несмотря на более высокие потери в нижних слоях атмосферы по сравнению с оптоволоконной связью, мы получаем значительное преимущество при передаче сигнала на сотни километров. Кроме того, данный метод практически не ограничивает дальность передачи квантового сигнала, поскольку основная часть пути фотоны проходят в космосе.
В последние 15 лет в Китае наблюдается бурный рост спутниковых моделей квантовых коммуникаций. В рамках государственной программы по квантовым экспериментам в космосе там был создан и выведен на орбиту первый в мире спутник, предназначенный для квантовой передачи данных. Спутник «Мо-Цзы» был помещен на 500-километровую орбиту в августе 2016 года, и уже летом 2017-го на его базе была показана передача квантовой информации на расстояние более 1200 километров. За прошедшие годы спутниковая квантовая связь была включена в китайскую межгородскую квантовую сеть, объединяющую четыре города на восточном побережье страны. Это позволило соединить населенные пункты, расположенные на расстоянии почти 5000 километров. Главная задача проекта – показать возможность квантовой коммуникации между континентами.
Не усилителем, так повторителем
Спутники для проведения квантовых экспериментов – это ценно, но сопряжено с высокими затратами (стоимость одного такого спутника для Китая составила 100 миллионов долларов). Невозможно ли найти способ использования уже существующей оптоволоконной инфраструктуры? Это возможно, если разработать так называемые квантовые повторители, которые можно размещать на регулярных интервалах вдоль оптоволоконных кабелей. В чем их отличие от традиционных оптических усилителей и почему они пока не получили широкого распространения? Отдельный фотон, содержащий квантовую информацию, нельзя «усилить» подобно классическому сигналу. Более того, это физически невозможно из-за фундаментального ограничения, известного как «теорема о запрете клонирования». Она утверждает, что ни одно устройство или метод не способно создать точную копию неизвестного квантового состояния (например, поляризации отдельного фотона), а следовательно, не может быть использовано для компенсации потери квантовой информации при передаче по оптоволокну.
В 1998 году для решения этой задачи была предложена идея квантовых повторителей, основанная на методе квантовой телепортации, опубликованном ранее. В отличие от распространенного в научной фантастике представления, квантовая телепортация не позволяет мгновенно перемещать физические объекты. Вместо этого, используя квантовую запутанность, она обеспечивает мгновенную передачу произвольного квантового состояния от одной частицы к другой, независимо от расстояния между ними. Первая экспериментальная демонстрация квантовой телепортации состояния фотонов состоялась в конце 1990-х годов группой австрийских физиков в Инсбруке, и с начала 2000-х этот метод широко применяется в квантовой коммуникации.
Схема квантовой телепортации, представленная в упрощенном виде, выглядит следующим образом. Сначала нелинейный кристалл, воздействуя под действием лазерного импульса, генерирует пару запутанных фотонов. Затем эти фотоны разделяются и направляются по двум оптическим каналам связи в точки А и Б. В точке А заранее подготавливают фотон в определенном квантовом состоянии (поляризации), которое необходимо передать в точку Б. Для этого фотон из точки А запутывают с фотоном, поступившим из источника (проводится измерение Белла). В результате второй запутанный фотон, находящийся в точке Б, мгновенно переходит в состояние фотона из точки А, что соответствует принципам квантовой механики.
Используя систему с несколькими источниками запутанных фотонов, можно будет передавать состояние фотона из точки А в точку Б, находящихся на значительном расстоянии, посредством цепочки квантовых повторителей. Эти устройства будут располагаться через каждые 100 километров оптоволоконного кабеля и обмениваться запутанными состояниями фотонов. Чтобы лучше понять этот процесс «обмена запутанностью» (entanglement swapping), полезно представить его визуально, как показано на рисунке ниже.
Для реализации квантовых повторителей, описанных выше, необходима «квантовая память». Она должна обеспечивать хранение одного из запутанных фотонов до момента готовности всех узлов сети к «обмену» полученными фотонами, после чего, по команде, сохраненные фотоны будут повторно переданы по квантовому каналу. Разработка таких систем хранения данных началась в начале 2000-х годов: были рассмотрены варианты, основанные на легированных кристаллах, точечных дефектах, атомах и ионах в ловушках, а также на отдельных молекулах. В настоящее время многие из этих решений успешно функционируют в лабораторных условиях. Благодаря значительному потенциалу этих технологий и активному финансированию их разработки, ожидается появление первых коммерческих образцов квантовой памяти и квантовых повторителей на рынке в ближайшие годы.
Как подключать будем?
Необходимо также рассмотреть интерфейс, обеспечивающий подключение устройств к квантовой сети, таких как квантовые компьютеры. Для технологических платформ, где управление кубитами осуществляется посредством лазерных импульсов (например, атомы или ионы в ловушках, интегрированная фотоника, точечные твердотельные дефекты), взаимодействие с фотонами, передаваемыми по оптоволоконным линиям, может показаться простым: достаточно подобрать соответствующую длину волны (частоту света). Однако, на практике, большинство квантовых каналов функционируют в телекоммуникационном диапазоне инфракрасного спектра (длина волны около 1500 нанометров), в то время как для управления кубитами различных типов применяются длины волн, варьирующиеся от ультрафиолета до ближнего инфракрасного излучения. Для преобразования сигналов между этими диапазонами потребуется создание дополнительных оптических устройств.
Подключение к сети квантовых процессоров, основанных на сверхпроводящих кубитах, представляет собой особенно захватывающую задачу. Эти системы обычно управляются не оптическими, а микроволновыми импульсами, характеризующимися частотой в диапазоне гигагерц (что соответствует длине волны в несколько сантиметров). Преобразование сигналов от сверхпроводящих кубитов в терагерцовый диапазон, необходимый для телекоммуникационных фотонов, требует разработки новых гибридных систем — трансдьюсеров, объединяющих несколько мод возбуждения. Так, например, колебания проводящего микрозеркала, отражающего инфракрасный свет, можно модулировать с помощью переменного электрического сигнала в гигагерцевом диапазоне. В свою очередь, падающие на такое зеркало фотоны способны возбуждать отдельные кванты колебаний (фононы), что модулирует гигагерцовый электрический сигнал. Альтернативным решением является использование электро-оптических модуляторов, основанных на нелинейных кристаллах.
Сверхпроводящие кубиты в отдельных квантовых компьютерах могут быть объединены с использованием микроволнового волновода
Отдельные квантовые компьютеры, основанные на сверхпроводящих кубитах и размещенные в отдельных криостатах, могут быть соединены друг с другом с помощью микроволнового волновода, обеспечивающего передачу квантового состояния из одного криостата в другой. Создание такого волновода протяженностью в сотни километров представляется сложной задачей, однако объединение квантовых процессоров в пределах одной лаборатории таким образом вполне осуществимо. Например, первая успешная демонстрация подобной системы на практике была проведена в 2020 году в лабораториях Высшей технической школы Цюриха (ETHZ).
А что в России?
Россия уверенно занимает передовые позиции в сфере квантовых коммуникаций и демонстрирует значительный прогресс во внедрении отечественных решений. В частности, в 2016 году в Москве начала функционировать первая квантовая линия связи, обеспечивающая защиту данных и соединяющая два здания Газпромбанка, находящиеся на удалении 30 км. Для этой линии была создана уникальная аппаратура, разработанная компанией QRate, являющейся спин-оффом Российского квантового центра. В 2020 году эта же компания внедрила еще одну квантовую линию связи, объединив два дата-центра госкорпорации «Росатом». Кроме того, летом 2021 года была запущена первая квантово-защищенная линия связи между Санкт-Петербургом и Москвой, протяженностью более 700 километров.
Вот что ответил Naked Science на вопрос о перспективах отрасли Павел Воробьев занимает должность исполнительного директора в компании — разработчика оборудования на основе квантовой криптографии QRate:
— В настоящее время в России действуют две «дорожные карты», посвященные квантовым вычислениям и квантовым коммуникациям. Целью «дорожной карты» по квантовым коммуникациям является создание отечественной инфраструктуры для квантовой защищенной передачи данных; первый этап квантовой сети, соединяющий Москву и Санкт-Петербург, был реализован в апреле 2021 года. В сфере квантовых коммуникаций в России функционирует не менее трех ведущих команд: компания QRate, основанная на базе Российского квантового центра, специалисты из МГУ, сотрудничающие с корпорацией «Инфотекс», и группа разработчиков из ИТМО (Санкт-Петербург), совместно работающих с самарской компанией «Смартс Кванттелеком .
В квантовых системах распределения ключей первостепенное значение имеют безопасность и скорость генерации секретного ключа, и QRate демонстрирует результаты, соответствующие мировому уровню. В частности, на расстоянии 50 километров возможно генерировать более 10 килобит ключа, а на расстоянии 100 километров — свыше 1 килобита, в то время как производительность наших российских конкурентов значительно ниже. Сеть, протяженностью 700 километров, соединяющая Санкт-Петербург и Москву, включает участки между доверенными узлами, и, следовательно, общая скорость сети ограничена скоростью самого медленного звена. Аналогичная архитектура используется и в самой протяженной в мире китайской квантовой сети.
В России, помимо реализуемых инфраструктурных проектов РЖД, уже функционируют две некоммерческие квантовые сети. Одна из них, разработанная нашей командой, представляет собой открытую сеть с пятью узлами, которая связывает Национальный исследовательский университет «МИСиС» и Московский технический университет связи и информатики (МТУСИ). Вторая вузовская сеть, созданная МГУ, использует оборудование компании «Инфотекс». Также известно, что компания «Смартс Кванттелеком» развернула квантовую защищенную сеть в Самарской области. В соответствии с утвержденной «дорожной картой», к 2024 году в России планируется построить не менее 7000 километров квантовых сетей, охватывающих Москву, Нижний Новгород, Казань и другие города Российской Федерации.
В России, помимо инфраструктурных проектов РЖД, также функционируют две некоммерческие квантовые сети
Для их создания планируется использовать существующую технологию, которая предполагает наличие доверенных узлов на каждом отрезке в 100 километров. В настоящее время ведется работа над увеличением максимального расстояния до двух-трех раза и скорости генерации секретного ключа, вплоть до мегабит в секунду.
Альтернативным направлением является передача ключа по открытому пространству: в обширной стране, как Россия, прокладка оптоволоконных линий не всегда возможна. В этой области компания QSpace уже добилась значительных результатов. Кроме того, мы активно сотрудничаем с китайскими партнерами и являемся одними из немногих в мире, кто имеет возможность получать сигналы с их квантового спутника. Также реализуются проекты по созданию полноценного квантового интернета, например, в МИСиС в рамках программы «Приоритет-2030».
Мы видим значительный потенциал в развитии квантовых сетей в России. Это относится не только к базовым научным изысканиям и инфраструктурным инициативам, предусмотренным «дорожной картой». Технология безопасной передачи данных привлекает все больше внимания со стороны бизнеса, в частности, банковского сектора. Также образовательные учреждения выразили заинтересованность и планируют присоединиться к нашей открытой квантовой сети в следующем году.
Вместо послесловия
Впечатляющий прогресс, достигнутый в последние годы, а порой и месяцы, наблюдается в сфере квантовых технологий. Новые, смелые эксперименты и устройства появляются с головокружительной скоростью, превосходя самые смелые представления пионеров квантовой механики! Квантовые процессоры, оснащенные десятками кубитов, успешно работают в лабораториях по всему миру, а квантовые коммуникации охватывают всё большие пространства. Позитивным фактором является и растущий интерес к квантовым технологиям со стороны инвесторов, крупных технологических компаний и широкой общественности, стремящейся быть в курсе последних новостей, содержащих «квантовые» заголовки. Мы надеемся, что серия статей этого спецпроекта поможет всем желающим лучше разобраться в теме квантовых технологий и с еще большим энтузиазмом следить за развитием этой области в России и в мире.