О мгновенных квантовых коммуникаторах, взломе систем квантовой криптографии, датчиках, шпионящих за каждой клеткой человеческого организма, и интересе российского бизнеса к новейшим технологиям рассказал «Газете.Ru» директор Российского квантового центра, член Европейского физического общества, к. ф.-м. н. Алексей Акимов.

— Российский квантовый центр создан более полугода назад и тогда же стал резидентом «Сколково». Сформирован ли хотя бы предварительно портфель исследовательских программ центра?

— На данный момент сформированы главные руководящие структуры РКЦ – попечительский и международный консультативный советы. Последний отвечает за координацию научной деятельности центра, но направления исследований определяет не он, а лидеры групп, которые набираются по открытому международному конкурсу. На конференции состоялось заседание научного совета, которое выбрало первых лидеров – ядро Центра. Предполагается, что после транша от фонда «Сколково» лидеры приступят к работе – сформируют состав исследовательских групп, распределят те средства, которые им выделит научный совет, при этом конкретные направления исследований они определят сами. Также состав лидеров должен быть одобрен попечительским советом из представителей промышленности и бизнеса, оценивающих, насколько разумно происходит распределение средств.

— В состав советов РКЦ входят известные и даже легендарные ученые, нобелевские лауреаты, международная элита квантового фронтира – Петер Цоллер, Артур Экерт, Вальфганг Кеттерле и другие. Какими будут условия работы лидеров исследовательских групп РКЦ?

— Лидер группы – аналог зарубежного профессора. Это пожизненная должность. То есть человека можно уволить только в том случае, если он перестал заниматься научной деятельностью или нарушает научную этику.

— На какой оклад могут рассчитывать кандидаты?

— В среднем оклад лидера будет составлять 100 тыс. долларов в год. Это нормальный и достойный уровень оплаты для должности такого уровня: за рубежом платят где-то чуть побольше, где-то чуть поменьше.

— Расскажите об источниках финансирования РКЦ.

— На сегодняшний день наш главный источник финансирования – это фонд «Сколково», хотя сейчас мы стараемся привлечь другие источники. Сложно привлечь частные инвестиции в фундаментальные исследования, пока какой-то крупный игрок, в нашем случае это государство, не заявит: «Да, я это поддерживаю». Но интерес у бизнеса уже есть.

— Можно ли привести конкретные примеры такого интереса?

— В первую очередь бизнес интересуют приложения. Например, проект компактных сверхточных часов для систем навигации, позволяющих повысить точность позиционирования на два и даже более порядка. Быстрые оптические переключатели: скорость передачи данных по оптоволоконным каналам неуклонно возрастает, но проблема оптических переключателей решена плохо. Далее – так называемые квантовые сенсоры – магнитометры и измерители электрических полей, которые могут снимать показания с отдельной живой клетки. Первые эксперименты в этой области, поставленные в лаборатории Михаила Лукина (профессор физики Гарвардского университета, член консультативного совета РКЦ – «Газета.Ru»), показали перспективность этой технологии. Сходные многообещающие результаты получены одной австралийской группой, а также в Германии. Сейчас это чисто фундаментальные разработки, но очень скоро они будут востребованы медициной и превратятся в коммерческие.

Рис. 1. Алексей Акимов, директор Российского квантового центра: «Через десять лет будут созданы рабочие прототипы квантовых компьютеров, решающие задачи, которые не способен решать эффективно классический компьютер» (Фото: Михаил Нешевец).

— Естественно предположить интерес бизнеса и государства к системам квантовой криптографии…

— На рынке криптосистем уже есть как минимум три компании, предлагающие готовые решения на эту тему, и несколько других, активно работающих в этой области. Но существующие системы ограничены в дальности работы примерно 100 км, задача же продления этих линий связи весьма нетривиальная, я бы даже сказал – фундаментальная задача. Наш центр планирует заниматься этой проблемой.

— Каким образом можно увеличить дальность квантовых криптоканалов, не провоцируя декогеренцию квантов, то есть не компрометируя целостность такого канала промежуточным слоем ретрансляции?

— С помощью квантовых повторителей. Конечно, повторитель в классическом понимании здесь, конечно, невозможен, и повторителем мы называем это устройство по инерции. Квантовый повторитель, строго говоря, не будет повторять сигнал. Скорее это некий способ распространить его на большое расстояние. Такой повторитель ничего не копирует, но функционирует как источник и одновременно детектор перепутанных фотонов – создает новые спутанные пары и измеряет взаимные корреляции между ними. Алгоритм, таким образом, должен быть выстроен так, чтобы конечный пользователь всегда мог определить факт постороннего вмешательства, разрушающего целостность квантового канала.

Классификация квантовых алгоритмов может проводится по типу квантовых преобразований, используемых алгоритмом.Также возможна группировка квантовых алгоритмов по типу проблем, решаемых ими: алгоритм Шора (квантовый алгоритм факторизации или разложения числа на простые множители – критичная операция в криптографических системах), алгоритм Гровера (быстрый квантовый алгоритм решения задачи перебора), алгоритм Дойча — Джоза.

— Оправданны ли заявления об объективной стопроцентной безопасности квантовой криптографии в свете участившихся в последнее время докладов об удачных опытах взлома квантокриптографических систем (в частности, группой Вадима Макарова из норвежского Университета наук и технологий в Тронхейме, опубликовавшей статью в Nаture)?

— Если вы ослепили детектор, а именно таким образом, насколько я понял, были взломаны квантовые криптосистемы, вы автоматически узнаете, что кто-то вмешался в передачу. В этом смысле теория не скомпрометирована. Скомпрометирована конкретная аппаратная реализация линии квантового шифрования: такие реализации не всегда настолько уж квантовые, поскольку до сих пор очень сложно работать на уровне одиночных фотонов. Существующие системы пока работают выше этого порога, допуская какое-то количество ошибок. А раз ошибки допускаются, возникает возможность и что-то украсть в этом интервале ошибок. Момент, безусловно, скользкий, но если вы работаете на пределе современных технологий, то вероятность такой кражи очень мала. С совершенствованием же техники, приближающей теоретический квантовый предел, вероятность таких событий все время будет уменьшаться.

— Не говорит ли это об удручающем несоответствии между заявлениями теории и ее практической реализацией?

— Нет. Эти системы используют квантовые алгоритмы, но часто для убыстрения их работы в ход идут смешанные квантово-классические протоколы. Однако с развитием технологий эти системы все больше будут приближаться к истинно квантовому алгоритму.

— Является ли истинным квантовым компьютером вычислительное устройство, о создании которого заявила в мае этого года компания D-Wave?

— Их первое заявление о создании квантового компьютера было весьма противоречивым. Они говорили о 8-битном квантовом процессоре, называя эти биты «некогерентными». Но квантовый компьютер по определению предполагает когерентность битов! Как только вы говорите о некогерентных битах, это автоматически означает, что мы имеем дело с классическим компьютером. То, что они построили, и есть классический компьютер, на котором можно решать не менее быстро те же самые задачи. Подозреваю, что нынешняя история (о создании квантового 128-битного процессора) – примерно из той же оперы. Хотя нельзя не отметить, что исследования в направлении сверхпроводниковых квантовых битов они действительно ведут. Например, память на квантовых сверхпроводниковых битах действительно была продемонстрирована. Но то, о чем они заявляют сегодня, – это, на мой взгляд, жульничество с расчетом застолбить за собой соответствующий патент.

— Может ли быть адекватной экспертиза таких патентов, учитывая размытость понятия «квантовый компьютер»?

— Сомневаюсь. Сколько раз я видел патенты, которые вряд ли могли бы выдержать серьезную экспертизу.

— Феномен квантовой сцепленности все уверенней овладевает воображением неспециалистов. В научной фантастике все чаще встречаются «квантовые коммуникаторы», позволяющие юзерам в противоположных концах Галактики общаться без задержки сигнала, то есть мгновенно. Возможно ли создание коммуникационных устройств, использующих феномен квантовой сцепленности, для обмена информацией со скоростью, превышающей скорость света?

Справка NNN: Квантовая сцепленность — явление, при котором квантовое состояние двух или большего числа объектов должно описываться во взаимосвязи друг с другом, даже если отдельные объекты разнесены в пространстве. Вследствие этого возникают корреляции между наблюдаемыми физическими свойствами объектов. Например, можно приготовить две частицы, находящиеся в едином квантовом состоянии так, что когда одна частица наблюдается в состоянии со спином, направленным вверх, то спин другой оказывается направленным вниз. Условно можно сказать, что измерения, проводимые над одной системой, оказывают мгновенное воздействие на сцепленную с ней.

Квантовая сцепленность является основой таких технологий, как квантовый компьютер и квантовая криптография, а также она была использована в опытах по квантовой телепортации. В философском плане данное явление представляет собой одно из наиболее революционных свойств квантовой теории, так как корреляции, предсказываемые квантовой механикой, совершенно несовместимы с представлениями о, казалось бы, очевидной локальности реального мира, при которой информация о состоянии системы может передаваться только посредством её ближайшего окружения. Различные взгляды на то, что происходит во время процесса квантовомеханического сцепления, приводят к различным интерпретациям квантовой механики (многомировой, копенгагенской, теории скрытых параметров и др.).

Сцепленность приводит к интересным взаимоотношениям с принципом относительности, который утверждает, что информация не может переноситься с места на место быстрее, чем со скоростью света.

В 1935 г. Эйнштейн, Подольский и Розен сформулировали так называемой ЭПР-парадокс, который показал, что из-за сцепленности квантовая механика становится нелокальной теорией. Известно, что Эйнштейн высмеивал данный феномен, называя его «кошмарным дальнодействием» (spukhafte Fernwirkung), однако впоследствии явление было подтверждено экспериментальною, а ЭПР-парадокс вошел в число самых революционных и глубоких физических предвидений ХХ века (по материалам www.gazeta.ru).

— Невозможно! Впрочем, есть человек, который пытается подать подобный проект в фонд «Сколково»… Но я не видел ни одной практической схемы, демонстрирующей передачу информации быстрее скорости света. Как только вы спускаетесь с небес на землю и начинаете рассматривать конкретные реализации, никаких чудес не происходит, и скорость света по-прежнему остается пределом. Часто приходится слышать, что вот, мол, есть две перепутанные частицы и одна волновая функция. Детектируем одну – у другой изменилась волновая функция, и нате – мгновенная передача информации! Но это неправда. Скажем, я вам даю два шарика – черный и белый, оба кладу в коробку и прошу один вытащить. Предположим, вы достали черный. Вы сможете определить, какой остался? Естественно! Вы же изначально знали, что в коробку положили один черный и один белый шар. Даже если вы отправите частицу за 10 тыс. световых лет и там измерите, это нельзя рассматривать как передачу информации со скоростью, превышающей скорость света, так как информация о шариках уже была сформирована. Говорить о передаче информации в данном случае просто бессмысленно.

— Существует точка зрения, что на аппаратную реализацию масштабируемого истинного квантового процессора накладываются сильные физические ограничения, обусловленные декогеренцией и делающие ее объективно невозможной. Не является ли истинный квантовый компьютинг математической абстракцией?

— Нет. На сегодняшний день на ионах реализованы 18-битные квантовые компьютеры. На таких системах выполнены некоторые простые вычисления, например, основных состояний атома водорода, разложение числа на множители, то есть эти устройства работают. Я бы по-другому сформулировал вопрос. Квантовый компьютер ничто без квантового алгоритма. Но проблема в том, что для каждой конкретной вычислительной задачи нужно знать свой особенный квантовый алгоритм. На сегодняшний день существует несколько таких алгоритмов, например, алгоритм Гровера или алгоритм Шора. Но возможности квантовых компьютеров отнюдь не исчерпываются этим узким классом алгоритмов, поэтому разработка новых алгоритмов – не менее важная задача, чем разработка квантовых процессоров, реализующих эффекты когерентности и запутанности. Собственно, решение этой задачи и должно показать, насколько функциональным окажется квантовый компьютер. Впрочем, если мы вспомним историю, то и классический компьютер – неуклюжее огромное устройство, потреблявшее уйму энергии, – в момент создания решал очень узкую функциональную задачу дешифровки. Но посмотрите, как расширилась область применения компьютеров за 60 лет их эволюции! Можно рассчитывать, что с квантовым компьютером произойдет то же самое.

Справка NNN: Квантовый алгоритм представляет собой классический алгоритм, который задает последовательность унитарных операций с указанием, над какими именно кубитами (элементами квантового ансамбля) их надо совершать. Результат работы квантового алгоритма носит вероятностный характер. В 80-х годах было показано, как за счет небольшого увеличения количества операций в алгоритме можно сколь угодно приблизить вероятность получения правильного результата к единице (алгоритм Дойча).

Множества задач, допускающих решение на квантовом компьютере и на классическом, совпадают. Квантовый компьютер, таким образом, не увеличивает число алгоритмически разрешимых задач. Весь смысл применения квантового компьютера в том, что некоторые задачи он способен решить существенно быстрее, чем любой из классических. Для этого квантовый алгоритм должен по ходу вычисления генерировать и использовать запутанные квантовые состояния.

Любая задача, решаемая квантовым алгоритмом, может быть решена и классическим компьютером путем математического моделирования квантовых состояний. Проблемы, неразрешимые на классических компьютерах (например, проблема остановки), остаются неразрешимыми и на квантовых. Но такое прямое моделирование требует огромных вычислительных ресурсов, и потому возникает возможность, используя квантовый параллелизм, ускорять на квантовом компьютере некоторые классические алгоритмы.

Ускорение на квантовом компьютере не связано с тактовой частотой процессора, но основано на квантовом параллелизме. Один шаг квантового вычисления совершает гораздо большую работу, чем один шаг классического. Однако было бы ошибкой приравнивать квантовое вычисление к распараллеленному классическому: недетерминированный классический алгоритм требует экспоненциального ресурса памяти, то есть не является физически осуществимым, тогда как квантовый алгоритм не противоречит известным законам природы (по материалам www.gazeta.ru).

— Какие прорывы должны произойти, чтобы истинный квантовый компьютер стал наконец реальностью?

— Основное ограничение сейчас – это масштабируемость. Мы умеем создавать все конкретные элементы квантового компьютера, можем копировать с той или иной степенью точности состояния элементов, но систем с большим числом кубитов строить не умеем. В большинстве случаев наиболее прогрессивными в плане демонстрации логических ключей и квантовых логических операций являются системы на основе ионов, но здесь совершенно четко обозначена проблема, что при увеличении числа ионов возникают возмущения, разрушающие когерентность всего ансамбля. Другой путь – твердотельные квантовые компьютеры, где задача масштабирования решается более просто.

— Когда, на ваш взгляд, будет создан первый полномасштабный квантовый компьютер?

— Через десять лет будут созданы рабочие прототипы квантовых компьютеров, решающие задачи, которые не способен решать эффективно классический компьютер. Естественно, такой компьютер является глобальной целью, но многие интересные решения возникают по мере ее достижения и, вообще-то говоря, наличия такого компьютера совсем не требуют. Например, без использования полномасштабного квантового компьютера могут решаться задачи по моделированию материалов с экзотическими свойствами. Те, кто занимается исследованием холодных атомов, строят при помощи таких систем модель твердого тела с расстоянием между атомами порядка уже не ангстремов, а микронов. Создавая «нужную» решетку и контролируя каждый ее атом, можно моделировать соединения с уникальными свойствами – например, высокотемпературные сверхпроводники. Экспериментально некоторые материалы уже демонстрируют сверхпроводимость при температурах порядка 150 К, но при этом нет ни одной разумной теории, объясняющей, почему возникает такой эффект. А пока нет теории – нет и модели, и неясно, куда дальше идти. То же самое можно сказать о легких сверхпрочных материалах. Так что создание квантового компьютера – цель весьма амбициозная, но ею деятельность РКЦ ограничиваться совсем не будет.