В новом межуниверситетском кампусе появится несколько «квантовых» лабораторий. Что скрывается за их таинственными названиями? Об этом мы беседуем с научным руководителем Центра квантовых технологий МГУ, заведующим лабораторией Квантовой инженерии света ЮУрГУ, доктором физико-математических наук, профессором Сергеем Куликом.
Откуда берутся кванты? Элементарных частиц много, но здесь и далее мы будем вести речь о фотонах – квантовых частицах света. Само же слово квант означает скорее меру или энергию, которую частица несёт.
– Сергей Павлович, какие лаборатории будут созданы под вашим руководством в новом межуниверситетском кампусе и какие задачи им предстоит решать?
– В новом кампусе мы планируем разместить четыре лаборатории. Пока что это деление условно. Две из них займутся квантовой криптографией: оптоволоконной и атмосферной. В первом случае свет будет передаваться по оптоволокну, а во втором – в естественной среде, на расстоянии прямой видимости – вплоть до спутников.
Как выглядит атмосферная передача сигнала? Коллиматор формирует параллельные пучки света, телескоп, отстоящий на некотором расстоянии, формирует из них изображение, а затем детектор считывает его.
Кроме того, появятся экспериментальные лаборатории квантовых вычислений и квантовой сенсорики. Лаборатория квантовых вычислений объединит теоретиков, разрабатывающих алгоритмы и протоколы, чем силён ЮУрГУ, и экспериментаторов, реализующих это на стендах и установках.
Наконец, последняя в этом списке лаборатория займётся созданием прецизионных сенсоров – иными словами, датчиков с высокой чувствительностью, которые найдут применение в геологораздведке, логистике, навигации, медицине. Такие датчики смогут выигрывать и по другим параметрам: ресурсоёмкость, энергопотребление, масса, габариты и так далее.
– Кампус ещё строится, а оборудование для лабораторий, вероятно, уже приобретено?
– Да. Работа лабораторий поддержана правительственным мегагрантом, мы рассчитываем получить и ещё несколько грантов. При поддержке руководства ЮУрГУ нам удалось отремонтировать помещения, где пока что разместится оборудование для всех четырёх лабораторий, и подготовить инфраструктуру – оптические столы, вентиляцию, водоснабжение. В начале учебного года мы начнём завозить туда собственно технику – лазеры, детекторы с разнообразными режимами измерений: от предельно малых сигналов, на уровне отдельных фотонов до больших потоков. Оборудования закуплено на десятки миллионов рублей.
– Вы прибыли из столицы с командой?
– Да, нас пятеро, приходится работать на два города. Мы объединим силы челябинских теоретиков под руководством Сергея Подошведова и ряда сотрудников Центра квантовых технологий МГУ. Сейчас в лаборатории Квантовой инженерии света ЮУрГУ работает порядка 30 человек, 3 аспиранта, студенты, считая бакалавров. В новом кампусе при достаточном финансировании коллектив будет значительно больше.
– В чём уникальность новых технологий, которыми займётся лаборатория?
– Мы займёмся разработкой новых алгоритмов на основе специфических состояний света на основе так называемых непрерывных переменных. Предполагаем, что эти состояния будут меньше подвергнуты разрушению, а значит, и преобразование информации станет надёжнее. Такие специфические состояния помогут преодолеть декогеретизацию – источник шумов и потерь. Теоретики возлагают на этот метод большие надежды, пора и экспериментаторам это подтвердить. Декогеретизация – значит «все вразнобой». Когерентные частицы движутся синхронно и имеют одинаковые амплитуды. Декогерированная система «расстроена».
– Насколько уникальны работы, проводимые в Челябинске?
– В мире это направление развивается, в России этим очень мало кто занят, в этом смысле лаборатории будут уникальными. Эксперименты же с состояниями высокой степени сжатия будут проведены впервые, их никто никогда не делал. Есть довольно простой и действенный способ приготовления разрабатываемых нами состояний посредством отщепления заданного числа фотонов. Наше оборудование позволяет регистрировать приход одного, двух, трёх фотонов, сейчас мы покупаем детектор, который увеличит число фотонов до восьми.
– Когда мы имеем дело с обычным персональным компьютером, мы оцениваем его, по возможности, в том числе по разрядности процессора, смотрим, с каким количество битов он способен оперировать. Какой разрядности сегодня достигли квантовые компьютеры?
– Обычный компьютер оперирует с битами, которые находятся в состоянии 0 или 1. Квантовый бит, он же кубит находится в обоих состояниях одновременно, с разными вероятностями. Это похоже на вектор, координаты которого соответствуют состояниям. Говоря языком алгебры, он разложен по базису состояний «0>» и «1>».
Число кубитов мало знать, надо знать точность, с которой совершаются однокубитные, двухкубитные операции. Можно недобросовестно сделать миллион кубитов, но о качестве передачи информации и говорить не стоит: они шумят, они разрушаются, плохо связаны друг с другом. А можно сделать три кубита с идеальным качеством, только зачем они нужны, если квантовые вычисления с тремя кубитами способен произвести и классический компьютер.
Нужен компромисс между числом кубитов и их качеством. То, что физически реализовано сейчас, пока ещё очень далеко от того, чтобы сделать полноценный квантовый компьютер. То есть такой, который смог бы решать какую-нибудь одну конкретную задачу быстрее чем обычный, достаточно мощный классический компьютер. Причём полезную задачу (можно придумать казуистический пример, который будет бесполезен на практике). Таких задач много: поиск, перебор, оптимизация (поиск максимальных и минимальных значений), они востребованы в логистике, в геологоразведке, в квантовой физике. А раскладывать с помощью квантовых компьютеров на множители числа 15 или 21 – это лишь демонстрировать возможности технологии, чего уже сделано вполне достаточно.
Пока же алгоритмы квантовых вычислений реализуются с помощью обычных компьютеров. Это иногда дорого, но важно идти на шаг впереди времени. Когда квантовые компьютеры войдут в обиход, нам будет что предложить.
– Наверное, квантовая криптография демонстрирует чудеса скорости шифрования? В чём секрет её эффективности?
– Скажем, в основе одного из самых известных ассиметричных алгоритмов шифрования лежит алгоритм факторизации, разложения чисел на простые множители. Самый простой способ – алгоритм Евклида – он же и самый долгий. Есть алгоритмы побыстрее, но квантовый алгоритм способен справиться быстрее всех – за «логарифмическое» время.
Только дело не в этом. Квантовое шифрование было как раз и придумано для того, чтобы противостоять атакам с помощью квантового компьютера. Поэтому всегда эти две науки – квантовые вычисления и квантовая криптография идут рука об руку. Квантовая криптография получает поддержку всякий раз после новых продвижений в создании квантового компьютера (А мы в лабораториях будем продвигать и то, и другое).
Поясним на примере. Поставим одно устройство в администрации Челябинской области, второе – в лаборатории нового кампуса, протянем оптоволоконный кабель, расстояние 4 километра. Автоматически и там, и там генерируются ключи, с помощью которых можно шифровать информацию. Они нигде не хранятся, и никакой системный администратор доступа к ключам не имеет физически в принципе. Если при передаче информации ключ будет скомпрометирован (неважно, молния ли ударила, трамвай проехал или подкрался злоумышленник), ключи не используются, а просто меняются.
В этом и есть главное преимущество квантовой криптографии, а не в том, что они «квантовые», и что другой квантовый компьютер гипотетически не сможет их сломать.
– И у вас уже есть оборудование, позволяющее шифровать информацию?
– Есть, и оно не просто «собрано на коленке», а сертифицировано соответствующим подразделением ФСБ. Этой сертификации мы добивались несколько лет. Теперь в Московском университете действует сеть с квантовым распределением ключей на 20 абонентов. Ещё одна сеть действует в Томске, в знаменитом ТУСУРе.
А в Челябинске, в рамках развития кампуса, мы для начала создадим сеть для 4 абонентов, по топологии – звезда. Мы предварительно договорились с правительством Челябинской области, и одна точка связи разместится, скорее всего, в одном из их зданий. Вторая – в кабинете ректора ЮУрГУ. Третья в кампусе, а четвёртая – в нашей лаборатории.
К концу 2024 года сеть выйдет в большой свет. Сейчас строится МУКС – Межуниверситетская квантовая сеть. Одна из магистральных линий, которые строит ОАО «РЖД», протянется в Челябинск, и тогда из кампуса можно будет выйти на связь с Москвой, Санкт-Петербургом, Воронежем, Сочи и другими городами, входящими в периметр квантовой сети.
– Одна из последних ваших статей посвящена криптоатакам с расщеплением по числу фотонов. О чём идёт речь?
– Как раз о попытке взлома. Алгоритмы квантовой криптографии красиво выглядят на бумаге. На практике есть физические явления, которые мешают их стойкости. Мы генерируем фотоны, которые затем становятся битами криптографического ключа – в процессе сильного ослабления когерентного излучения. Последнее имеет пуассоновскую статистику, а значит, всегда есть ненулевая вероятность того, что вышел не один фотон, а два или больше одинаковых. Гипотетически злоумышленник может перехватить «лишние» фотоны. Такая атака основана на уязвимости не алгоритма, а на его физической реализации.
Такие атаки необходимо отслеживать и предотвращать. Вместо скомпрометированного ключа тут же будет сгенерирован новый.
– Что такое квантовая томография, которой посвящена другая недавняя ваша работа?
– Обычная томография – это попытка уменьшить размерность путем дискретизации по одной из степеней свободы. Иными словами, вдоль одного из измерений берется много параллельных проекций). Их количество зависит от размерности пространства.
Когда томография диагностирует, например, человеческий орган – всё происходит в трёх измерениях. А состояния света многомерны. Чтобы экспериментировать с ними, нужно запланировать необходимое число измерений. Для этого и пригодится такое обобщение.
– Ваша команда следит за последними достижениями науки. С какими научными учреждениями в России вы сотрудничаете? Проводите ли совместные семинары, конференции?
– Мы сотрудничаем с МГУ, ТУСУР, СпбГУ, ИТМО (Санкт-Петербург), ВНИИТФ (Снежинск), НЦФМ (Саров), Казанским научным центром и рядом других научных и образовательных организаций.
В феврале мы провели VI Международную школу по квантовым технологиям – на мой взгляд, очень удачно; в июне – двухдневный практический семинар по квантовым вычислениям и криптографии. В конце года мы планируем рабочий семинар вместе с ВНИИТФ. Там отличные ребята, готовые искать решение практически важных задач с помощью квантовых алгоритмов. Важно вместе делать шаг вперед.
Проект Межуниверситетского кампуса реализуется в рамках реализации национального проекта «Наука и университеты».