Последние годы и месяцы стали свидетелями впечатляющего прогресса в области квантовых технологий. Все новые смелые эксперименты и устройства появляются, о которых даже основоположники квантовой механики могли только мечтать! В четвертой статье «квантового цикла» Naked Science расскажет о том, что происходит сейчас.
(Окончание. Начало см. тут: 1, 2, 3).
В девять часов вечера двадцать девятого ноября тысяча девятьсот шестьдесят девятый на экране нового компьютера Honeywell DDP-516, расположенного в кампусе Стэнфордского университета (Калифорния, США), появились две буквы LO. Ни один из инженеров, находившихся поблизости, не трогал никаких устройств ввода. Из чего взялись эти загадочные буквы и что они значили?
Появление первой сети
Издали получила информация. В шестистах километрах от Стэнфорда, в Калифорнийском университете Лос-Анджелеса оператор цифрового компьютера аналогичного Стэнфордскому пытался удаленно подключиться к компьютеру в Стэнфорде, последовательно набирая буквы слова LOGIN. Передача первых двух букв по телефонным линиям компании AT&T прошла успешно, но на третьей букве система дала сбой. Через час операцию передачи данных по сети удалось довести до конца, что положило начало первой компьютерной сети в истории человечества, ARPANET.
Изначально состоявшая из двух терминалов, сеть ARPANET быстро развивалась и к 1973 году насчитывала несколько десятков серверов на территории США и Европы. Десять лет спустя параллельно с финансируемой DARPA ARPANET была запущена NSFNet Национального научного фонда США, которая ставила целью эффективное информационное взаимодействие между научными институтами и совместный доступ к вычислительным ресурсам, включая суперкомпьютеры. Благодаря новым технологиям NSFNet была значительно быстрее предшественницы, а количество подключенных компьютеров росло невероятно быстро. В 1990 году она поглотила устаревшую ARPANET, а через два года стала основой современной сети Интернет.
Сеть объединяет
Интернет прочно вошел в нашу жизнь за тридцать лет своего существования, проникнув практически во все её сферы. Персональные компьютеры и их объединение в сеть создали новые области экономики и кардинально изменили работу с информацией. Без интернета вы вряд ли бы прочли эти строки.
А что здесь общего с квантовыми технологиями? Сопоставление простое: если мы объединили классические компьютеры в сеть, то можно соединить и квантовые. Один кабель сюда, другой туда – и готово! Квантовый интернет. Вроде бы просто как настройка нового Wi-Fi роутера. Но дьявол, как обычно, в деталях.
С одной стороны, как мы писали во второй статьеВ 2016 году компания IBM предоставила доступ к прототипам своих квантовых компьютеров через интернет. За пять лет количество подключенных к сети квантовых компьютеров IBM превысило десяток, а их расположение охватило несколько континентов. Возникает вопрос: создан ли уже квантовый интернет? К сожалению, все не так просто.
Устройства компании IBM и её конкурентов по квантовой гонке способны передавать данные через интернет, при этом квантовые биты (кубиты) преобразуются в классическую информацию — нули и единицы. Такое преобразование приводит к потере квантовых свойств кубитов — суперпозиции и запутанности, которые давали им преимущество над классическими битами. В результате распределённые квантовые вычисления на нескольких объединенных в сеть квантовых компьютерах невозможны — заданное квантовое состояние будет существовать только внутри каждого устройства, но не будет распространяться между ними.
Если удастся избежать преобразования кубитов и передавать их по сети, сохраняя квантовое состояние, то получится проводить полномасштабные квантовые вычисления на существующих прототипах с десятками кубитов. Соединив множество таких устройств в одну сеть, постепенно появляющихся в лабораториях, можно достичь суммарной вычислительной мощности, превосходящей каждый отдельный процессор, и достаточной для решения реальных задач, в том числе для исполнения алгоритма Шора.
Конфиденциальный доступ
Поскольку сеть способна передавать кубиты между узлами, эта квантовая сеть предоставляет возможность защищенного доступа к ресурсам любого квантового компьютера в облаке. Подключив устройство к квантовому компьютеру по квантовому каналу, можно выполнять произвольные квантовые алгоритмы и считывать результаты без раскрытия пользовательских данных. Квантовый компьютер выполняет операции с квантовыми данными, ничего не зная ни о выполняемом им алгоритме, ни о переданных ему данных. Единственное дополнение к такой системе (помимо квантового канала связи) – наличие терминала, способного производить однокубитные операции.
Можно упростить такую систему, исключив из нее квантовый компьютер и оставив пару квантовых терминалов для генерации и считывания одиночных кубитов, соединенных между собой квантовым каналом. Даже такая упрощенная система квантовой коммуникации обладает одним гигантским преимуществом по сравнению с существующими классическими сетями: безопасность передаваемых данных.
Фотоны – лучшие друзья
В середине 80-х годов появилась концепция квантово-защищенной передачи данных. В 1989 году в лаборатории компании IBM создали прототип оптического устройства, передававшего и принимавшего зашифрованные фотоны на расстояние полуметра. С самого начала было понятно, что передача данных с помощью света — наиболее простой способ реализации квантовых сетей. Простота метода очевидна: фотоны сами по себе являются квантовыми объектами, а их квантовое состояние можно зашифровать в поляризации — направлении колебаний электромагнитного поля в световом пучке.
Аргументом в пользу фотонов служит развитие разветвленной сети каналов связи на основе стеклянного оптоволокна. По ним всё больше передаётся данных в интернете. Раньше это была промышленная технология, но теперь оптоволоконные кабели часто тянутся до роутера в квартире, обеспечивая невероятные скорости передачи данных — до гигабитов в секунду. Теоретически эти же линии связи могут быть использованы и для развертывания квантовых сетей, нужно лишь добавить кодирование-декодирование поляризации к источникам и детекторовм фотонов.
При использовании оптоволоконных линий квантовой связи возникает одна существенная проблема – оптические потери. Несмотря на то, что материал оптоволокна (стекло) прозрачен для передаваемого света, микроскопические дефекты и неоднородности, возникающие при его изготовлении, приводят к рассеянию и поглощению части фотонов при их распространении. В случае классических сигналов, несущих большое число фотонов в каждом световом пучке, эта проблема решается: часть фотонов всегда доходит до конечной точки, а сигнал можно усилить с помощью оптических усилителей. Благодаря этому классические сигналы передаются по оптоволокну на сотни и даже тысячи километров.
Через каждые 10 километров примерно половина фотонов в оптоволоконном кабеле рассеивается.
С квантовыми каналами, по которым передают не просто пучки света, а одиночные фотоны, ситуация сложнее. Проходя по оптоволокну, примерно половина фотонов теряется каждые 10 километров. Поэтому установить квантовую коммуникацию по оптоволокну на расстояние более 100-200 километров практически невозможно. В пределах города это ограничение не принципиально, так как защищенные линии связи уже существуют во многих городах мира, в том числе и в Москве. Но передача квантовых данных между городами по оптоволокну становится проблемой. Кроме того, из-за потерь и шума детекторов скорость передачи данных в квантовых сетях зачастую ограничена килобитами в секунду, вместо привычных мега- и гигабит в традиционных сетях.
Просто космос
Разница в скорости передачи данных не столь велика, ведь тысяча килобит в секунду вполне достаточна как для управления квантовым компьютером, так и для создания системы безопасной передачи информации. Необходимо же решить проблему дальности передачи, которая ограничена сотней-другими километрами. Существует два основных варианта преодоления этого предела. Первый из них прост и гениален одновременно: использовать вместо стеклянного волокна другую среду передачи с меньшими потерями, например, разреженный воздух или вакуум.
Передача квантовых сигналов на большие расстояния осуществляется через спутниковые каналы связи. В начале пути потери фотонов значительны из-за первых 5-10 километров распространения в атмосфере. Дальше воздух разрежен и потери пренебрежимо малы. Несмотря на большее число потерь в нижних слоях атмосферы по сравнению с оптоволокном, метод позволяет передавать сигнал сотнями километров. Основная часть пути фотонов проходит в космосе, что практически не ограничивает дальность передачи квантового сигнала.
Китай активно развивает спутниковую модель квантовых коммуникаций последние 15 лет. В рамках государственного проекта по квантовым экспериментам в космосе был разработан и запущен первый в мире спутник для передачи информации с использованием квантов. Спутник «Мо-Цзы» находиться на орбите высотой 500 километров с августа 2016 года. Летом 2017 года на нем была продемонстрирована передача квантовой информации более чем на 1200 километров. За последние годы спутниковая квантовая связь интегрирована в китайскую межгородскую квантовую сеть, объединяющую четыре города на восточном побережье Китая. Она соединила населенные пункты, отделенные друг от друга почти на 5000 километров. Конечная цель проекта — продемонстрировать возможность межконтинентальной квантовой коммуникации.
Не усилителем, так повторителем
Спутники для квантовых экспериментов стоят очень дорого — один китайский спутник обошелся в 100 миллионов долларов. Нельзя ли использовать существующую оптоволоконную инфраструктуру? Можно, создав квантовые повторители вдоль кабелей. В чем их отличие от оптических усилителей и почему их не используют повсеместно? Усилить отдельный фотон с квантовой информацией нельзя из-за теоремы о запрете клонирования. Она гласит, что невозможно создать идеальную копию неизвестного квантового состояния, а значит, и компенсировать потерю квантовой информации при передаче по оптоволокну.
В 1998 году для решения данной проблемы предложили гениальную идею квантовых повторителей, основанную на методе квантовой телепортации, опубликованном несколькими годами ранее. Квантовая телепортация, в отличие от представленной в научной фантастике идеи мгновенного перемещения физических объектов, позволяет мгновенно передавать произвольное квантовое состояние с одной частицы на другую, независимо от расстояния между ними. Эту возможность обеспечивает квантовая запутанность. В конце 1990-х годов группа австрийских физиков в Инсбруке продемонстрировала первый эксперимент по квантовой телепортации состояния фотонов. С начала 2000-х этот метод используется для целей квантовой коммуникации.
Пара запутанных фотонов, созданных нелинейным кристаллом под воздействием лазерного импульса, разделяется и направляется по двум оптическим каналам связи в точки А и Б. В точке А уже есть фотон в заданном квантовом состоянии (поляризации), которое нужно передать в точку Б. Для этого запутывают прилетевший от источника фотон с фотоном из точки А (выполняют измерение Белла). Второй фотон из пары, прибывший в точку Б, мгновенно оказывается в состоянии фотона из точки А, согласуясь с законами квантовой механики.
Повысив количество источников запутанных фотонов, мы сможем передавать состояние фотона из одной точки в другую, независимо от расстояния, через последовательность квантовых повторителей. Повторители располагаются каждые 100 километров по оптоволоконному кабелю и обмениваются запутанными состояниями своих фотонов друг с другом.
Для функционирования полновесных квантовых повторителей по предложенной схеме необходима «квантовая память», способная сохранять один из запутанных фотонов до тех пор, пока все узлы сети не примут решение о «обмене» полученными запутанными фотонами. По команде хранимые фотоны должны быть направлены по квантовому каналу. Разработка такой памяти началась в начале 2000-х годов – предлагались реализации на легированных кристаллах, точечных дефектах, атомах и ионах в ловушках, а также отдельных молекулах. Многие из предложенных вариантов успешно функционируют в лабораторных условиях. Благодаря огромному потенциалу этих технологий и активным инвестициям в их развитие первые коммерческие образцы квантовой памяти и квантовых повторителей появятся на рынке в ближайшие несколько лет.
Как подключать будем?
Интерфейс подключения устройств к квантовой сети (например, квантовых компьютеров) требует отдельного рассмотрения. Для технологических платформ, где контроль над кубитами осуществляется с помощью лазерных импульсов (атомы или ионы в ловушках, интегрированная фотоника, точечные твердотельные дефекты), взаимодействие с фотонами, передаваемыми по оптоволокну, может показаться несложным: нужно лишь подобрать подходящую длину волны используемого света. Однако большинство квантовых каналов функционируют в телекоммуникационном диапазоне инфракрасного спектра (длина волны ~1500 нанометров), а длина волн, применяемых для управления кубитами разных типов, варьируется от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного излучения. Преобразование сигналов между этими длинами волн потребует создания дополнительных оптических устройств.
Подключение к сети квантовых процессоров на сверхпроводящих кубитах представляет ещё большую интересность. Большинство таких систем управляется не оптическими, а микроволновыми импульсами (с частотой порядка гигагерц).
Преобразование сигналов из гигагерцевого диапазона сверхпроводящих кубитов в сотни терагерц телекоммуникационных фотонов требует новых гибридных систем – трансдьюсеров, связывающих несколько мод возбуждения. Например, переменный электрический сигнал в гигагерцевом диапазоне может модулировать колебания проводящего микрозеркала, отражающего фотоны инфракрасного света. Падающие на зеркало фотоны могут возбуждать фононы, модулирующие гигагерцовый электрический сигнал. Другой подход – использование электро-оптических модуляторов на нелинейных кристаллах.
Сверхпроводящие кубиты могут быть объединены посредством микроволнового волновода.
В одной лаборатории можно соединить отдельные квантовые компьютеры сверхпроводящих кубитов, помещенные в криостаты, с помощью микроволнового волновода для передачи квантового состояния между ними. Протянуть такую систему на сотни километров затруднительно, но связь в рамках одной лаборатории вполне реализуема. была проведенаВ 2020 году в лабораториях Швейцарской высшей технической школы Цюрихского университета.
А что в России?
Россия стремительно развивает область квантовых коммуникаций и внедряет отечественные разработки. В Москве в 2016 году заработала первая квантовая защищенная линия связи между двумя зданиями Газпромбанка, расположенными на расстоянии 30 километров друг от друга. Уникальное оборудование для этой линии создала компания QRate, спин-офф Российского квантового центра. В 2020 году QRate запустила еще одну квантовую линию связи, соединив два дата-центра госкорпорации «Росатом». Летом 2021 года между Санкт-Петербургом и Москвой заработала первая междугородняя квантово-защищенная линия связи протяженностью более 700 километров.
Вот что ответил Naked Science на вопрос о перспективах отрасли Руководитель фирмы Павел Воробьев — Создателя оборудования, работающего по принципам квантовой криптографии, компании QRate.
В России утверждены две «дорожные карты» — по квантовым вычислениям и квантовым коммуникациям. «Дорожная карта» по квантовым коммуникациям направлена на создание отечественной инфраструктуры для квантовой защищенной передачи данных (первый участок квантовой сети функционирует между Москвой и Санкт-Петербургом с апреля 2021 года). В области квантовых коммуникаций в России работают как минимум три сильные команды: компания QRate, возникшая из лабораторий Российского квантового центра, специалисты МГУ, сотрудничающие с корпорацией «Инфотекс», и команда питерского ИТМО, работающая совместно с самарской компанией «Смартс Кванттелеком».
Безопасность и скорость генерации секретного ключа — главные характеристики любой системы квантового распределения ключей, и QRate соответствует мировому уровню. На расстоянии 50 километров возможно генерировать более 10 килобит ключа, на 100 километров — более 1 килобита, в то время как российские конкуренты производят в десятки раз меньше. Сеть протяженностью 700 километров между Петербургом и Москвой состоит из отрезков, проложенных между промежуточными доверенными узлами, поэтому скорость всей сети определяется самым «медленным» участком. По такой же схеме работает самая протяженная в мире китайская квантовая сеть.
Помимо инфраструктурных проектов РЖД, в России запущены две некоммерческие квантовые сети. Одна из них — сеть с открытым доступом, созданная нами, состоит из пяти узлов и объединяет два вуза — МИСиС и МТУСИ. Вторая вузовская сеть МГУ построена на оборудовании компании «Инфотекс». Кроме того, насколько мне известно, «Смартс Кванттелеком» реализовал квантовую защищенную сеть в Самарской области. Согласно «дорожной карте», к 2024 году в России будет построено не менее семи тысяч километров квантовых сетей, объединяющих Москву, Нижний Новгород, Казань и другие города РФ.
В России функционируют две некоммерческие квантовые сети помимо инфраструктурных проектов РЖД.
Планируется создание с применением имеющихся технологий, предполагающих расположение доверенных узлов каждые сто километров. Разрабатывается увеличение этого расстояния на два или три раза. Система обеспечивает множество раз и высокую скорость генерации секретных ключей, достигая мегабита в секунду.
Другое перспективное направление — передача ключа через открытое пространство, поскольку проложить оптоволокно везде в такой большой стране, как Россия, невозможно. В этой области немалые успехи уже достигла компания QSpace. Мы также активно взаимодействуем с китайскими коллегами и являемся одними из немногих в мире, имеющих доступ к их квантовому спутнику, сигнал с которого смогли получить. В МИСиС в рамках программы «Приоритет-2030» ведутся работы по созданию полноценного квантового интернета.
Мы положительно оцениваем развитие квантовых сетей в России. Это касается как фундаментальных исследований и инфраструктурных проектов, так и коммерческого сектора, где возрастает интерес к технологии безопасной передачи данных, особенно у банков. Образовательные организации также проявляют интерес и желают подключиться к нашей открытой квантовой сети в следующем году.
Вместо послесловия
Последние годы и даже месяцы отмечены стремительным прогрессом в области квантовых технологий. Появляются всё новые смелые эксперименты и устройства, о которых не могли мечтать основатели квантовой механики. Квантовые процессоры на десятках кубитов функционируют в лабораториях по всему миру, а квантовые коммуникации покрывают все большие территории. Радует возрастающий интерес к квантовым технологиям со стороны инвесторов, крупных технологических компаний и широкой публики, которая старается следить за потоком новостей с «квантовыми» заголовками. Мы надеемся, что серия статей этого спецпроекта поможет всем желающим лучше ориентироваться в теме квантовых технологий и с ещё большим энтузиазмом следить за развитием этой области в России и мире.
