Квантовый секрет Полишинеля

На смену классическим шпионам придут шпионы квантовые

О грядущей квантовой революции, «дырах» квантовой криптографии и возможности передавать информацию быстрее скорости света «Газете.Ru» рассказал лауреат Международной премии по квантовым коммуникациям Александр Львовский — профессор физического факультета Университета Калгари и член управляющего совета Российского квантового центра.

— Могли бы вы дать четкое определение, что понимать под квантовыми компьютерами?

— Как и в любой динамично развивающейся области, всеобщего согласия об определении нет. Поэтому приведу свое собственное. Квантовый процессор — это сложный, «сцепленный», квантовый объект, состояние которого мы можем полностью контролировать на уровне элементарных компонентов и который используется для вычислительных задач. Предполагается, что квантовый компьютер может решать некоторые задачи несравненно быстрее классического.

Квантовая криптография

Метод защиты коммуникаций, основанный на определенных явлениях квантовой физики, носит название квантовой криптографии. В отличие от традиционной, использующей математические методы, чтобы обеспечить секретность информации, теория квантовой криптографии рассматривает случаи, когда информация переносится с помощью объектов квантовой механики. Процесс отправки и приёма информации всегда выполняется физическими средствами. Например, при помощи электронов, или фотонов в линиях волоконно-оптической связи.

Технология квантовой криптографии опирается на принципиальную неопределённость поведения квантовой системы — невозможно одновременно получить координаты и импульс частицы, невозможно измерить один параметр фотона, не исказив другой (принцип неопределённости Гейзенберга).

Используя квантовые явления, можно спроектировать и создать такую систему связи, которая всегда может обнаруживать подслушивание. Это обеспечивается тем, что попытка измерения взаимосвязанных параметров в квантовой системе вносит в неё нарушения, разрушая исходные сигналы, а значит, по уровню шума в канале легитимные пользователи могут распознать степень активности перехватчика.

Интерес к квантовой криптографии со стороны коммерческих и военных организаций растет, так как эта технология, согласно теории, гарантирует абсолютную защиту. Создатели технологий квантовой криптографии вплотную приблизились к тому, чтобы выпустить их из лабораторий на рынок, обеспечив еще один слой безопасности для нуждающихся в этом организаций.

— Возможно ли создание коммуникационных устройств, использующих феномен квантовой сцепленности, для обмена информацией со скоростью, превышающей скорость света? Позволяет ли квантовая сцепленность передавать информацию без использования классических каналов связи?

— Квантовая сцепленность влечет за собой ряд странных физических явлений, которые Эйнштейн назвал «жутковатым действием на расстоянии». Мы можем наблюдать эти явления экспериментально. Однако их, к сожалению, нельзя применять для передачи сообщений быстрее света.

Это в принципе невозможно, по крайней мере в рамках современных научных знаний.

Что же касается второй части вашего вопроса, ответ, несомненно, положительный. Весь мир квантовый. Классическая физика — лишь частный случай, приближение квантовой физики, которое действительно для мира больших предметов, в котором мы живем. А информация — вещь эфемерная, ее можно передавать и с помощью микроскопических частиц, для которых это приближение не действует.

Квантовая сцепленность

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.

Явление квантовой сцепленности позволяет создавать системы связи, гарантирующие защиту от прослушивания уже в не слое обработки сигнала (шифрование), а на уровне его физического носителя — квантово запутанных объектов (электронов, фотонов и даже атомов, а также, в теории, соединений атомов).

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

— Это не совсем моя область, поэтому отвечу кратко. Насколько я понимаю, D-Wave не является полноценным квантовым компьютером в современном понимании и не дает в полной мере воспользоваться преимуществами этого гипотетического устройства. Однако определенные свойства, характерные для квантового компьютера, у изделия имеются. В любом случае это совсем не «жульничество», а вполне достойное направление научных исследований.

— Оправданны ли заявления об объективной стопроцентной безопасности квантового шифрования в свете последних новостей об удачных опытах взлома квантокриптографических систем, в частности группой Вадима Макарова из норвежского Университета наук и технологий в Трондхайме, опубликовавшей статью в Nаture.

— Знаете, если, допустим, невнимательный шифровальщик не обратил внимания, что у него за спиной стоит вражеский шпион, то, каким бы надежным ключом он ни пользовался, секретности добиться не удастся. В опытах Макарова и коллег речь идет именно о таких способах «взлома», хотя, конечно, на менее прямолинейном уровне, а именно используются некоторые технические недостатки фотонных детекторов, применяемых в квантовой криптографии. А теорема об абсолютной надежности квантовой криптографии доказана в предположении, что детекторы идеальны.

Подобные изыскания чрезвычайно важны, ибо они позволяют найти «дыры» в теоретически безупречной ткани квантовой криптографии.

Они показывают, что гонка между шифровальщиком и шпионом с появлением квантовой криптографии никуда не делась, она лишь перешла в другую плоскость. Однако сохранение такой гонки нисколько не умаляет достоинств квантовой криптографии перед классической: многие виды последней не надежны даже теоретически. Если сегодня сообщение кажется надежно зашифрованным с помощью современного алгоритма, никто не гарантирует, что через десять лет не появится квантовый компьютер, который этот код взломает. А правильно примененная квантовая криптография исключает такую возможность.

— Существуют ли сильные физические ограничения, делающие физическую реализацию квантового процессора объективно невозможной? Не является ли истинный квантовый компьютинг математической абстракцией?

— Нет и нет. Создание квантового компьютера — невероятно сложная техническая задача, но решаемая.

— Расскажите про первую Международную конференцию по квантовым технологиям, которая только что прошла в Москве: насколько это значимое событие в мире квантовых исследований?

— В мире проходят конференции по квантовым технологиям практически каждую неделю, но этот симпозиум особенно представительный. Очень редко бывает так, чтобы столько «звезд» из разных областей квантовых технологий собрались вместе. Поэтому такое собрание, несомненно, важное событие, но ещё более важен повод, по которому оно состоялось. Это начало работы Российского квантового центра, уникального для России научного предприятия, призванного с самого начала своей деятельности стать крупным игроком на международной арене исследований в области квантовых технологий.