Квантовые технологии — отказ от привычек

Физик-экпериментатор Александр Львовский рассказал Дмитрию Ицковичу, Борису Долгину и Анатолию Кузичеву о технологиях микромира, контроле на уровне фотонов и идее квантового компьютера в передаче «Наука 2.0»  — совместном проекте информационно-аналитического портала «Полит.ру» и радиостанции «Вести FM». Это не прямая речь гостя передачи, а краткое содержание, пересказанное редакцией «Полит.ру».

Квантовая физика

Сейчас появилась возможность контроля над квантовыми системами, но чтобы понять, что это такое, надо, прежде всего, определить, что такое квантовая физика. Это физика, которая управляет законами микроскопического мира. Мы живем в мире больших тел. Это макроскопический мир. Он управляется законами классической физики, к которым мы привыкли и которые хорошо знаем. А микромир совсем другой, и живет он совершенно по другим законам. В последнее время, благодаря миниатюризации электронных технологий, мы приблизились к квантовому пределу. Сейчас не только электронные схемы, но и разнообразные наноприборы пересекают границу из макромира в микромир. Благодаря этому стали возможны квантовые технологии - технологии микромира.

Возникает логичный вопрос: а что такое вообще квант и квантовая механика?
Будет проще определить квант как неделимую, мельчайшую частицу чего-то. Например, квант света – это фотон. Не бывает половины кванта, но размеры фотона зависят от частоты света. В основе понятия "квант" лежит представление о квантовой механике. Понятие "квантовая механика" довольно странное, потому что, по сути, не имеет отношения к механике. Точнее, отношение имеет, но не только к механике, а ко всей физике. Поэтому неправильно говорить "квантовая механика", правильно говорить "квантовая физика". А суть квантовой физики как раз в том, что там действуют принципиально другие законы. Не такие, к каким мы привыкли в макромире, в мире твердых тел. Это позволяет нам создавать квантовые технологии, так как законы другие и, соответственно, технологии тоже другие. В результате мы получаем две физики, существующие параллельно в одном мире.

По законам одной физики одновременно предмет может быть только в одном месте, а по законам другой – в двух. Наверняка все слышали про Кошку Шредингера. Согласно квантовой физике, любой объект, который может быть в одном из двух состояний, находится также в состоянии так называемой суперпозиции – это сумма, или разность, или вообще любая линейная комбинация этих двух состояний. Пример, который привел Эрвин Шредингер, может показаться нам нелепым, но в микроскопическом мире он совершенно нормальный.

Над этим парадоксом квантовой физики по-прежнему ломают голову. Правильное его решение – попытки объединить две физики - приводит к совершенно нелепым результатам. И единственная непротиворечивая трактовка – это концепция существования многих параллельных вселенных. Она тоже звучит несколько нелепо, потому что мы привыкли к тому, что Вселенная одна. Однако концепция гласит, что вселенная находится в колоссальном состоянии суперпозиции, т.е. мы с вами одновременно находимся в разных вселенных. Честно говоря, я предпочитаю об этом не думать, иначе мы приходим к таким результатам, что дальше совершенно непонятно, что с ними делать. Мы живем в рамках одной логики, работающей в рамках одной вселенной. Поэтому проще думать, что существуют две физики, и они как-то друг с другом связаны.

Например, этот стол состоит из молекул, но чтобы им пользоваться, нам не обязательно думать о том, что он из них состоит. Нас интересует его вес, твердость, то есть макроскопические, физические свойства. Будет немного экзотично, если мы из стола захотим сделать квантовый процессор, но тогда нам уже неизбежно придется думать, что он состоит из атомов, а атомы ведут себя совершенно по-другому. Есть те же единички и нолики, как и в обычном процессоре, но они могут быть одновременно в состоянии суперпозиции.

Свет — носитель квантовой информации

В нашей лаборатории мы занимаемся квантовым светом. Свет микроскопический, это отдельные фотоны. Чтобы ничего не мешало, мы стараемся максимально изолировать нашу физическую систему от внешних воздействий. В частности, от рассеянного света. Поэтому в лаборатории и пол, и потолок, и стены черные.

Свет - это практически единственный возможный носитель квантовой информации. Допустим, мы сделали какую-то квантовую схему на сверхпроводниках. Она может хорошо работать, но ее нельзя послать на сто миль иначе как в конверте. А фотон можно. Сейчас уже известно, что компьютеры сами по себе стоят гораздо меньше, чем компьютерные сети, и если мы хотим развивать квантовый интернет, нам надо развивать квантовые технологии со светом. Мы занимаемся созданием квантовых состояний света и измерением квантового света.

Еще одна важная задача, которую нужно решить, - это научиться сохранять квантовое состояние света в другой среде, то есть информацию, а сам свет при этом исчезает. Любой компьютер, классический или квантовый, нуждается в ячейке памяти. И последнее, чем мы занимаемся, – это взаимодействие фотонов друг с другом. Фотоны маленькие, нам легче, если мы просветим их друг через друга, пропустим два фотона через одно стеклышко, но они не повлияют друг на друга. Однако для вычисления нужно, чтобы состояние одного бита могло повлиять на состояние другого бита. Поэтому важно научиться приводить наши фотоны во взаимодействие друг с другом.

Уже сейчас удалось добиться довольно многого. Например, в 2010 году мы опубликовали статью, где показали возможность измерить суперпозиции квантового состояния света до двух фотонов. Это непростая задача.

Что касается квантовой памяти, то тут тоже есть колоссальный прогресс. За последние 10 лет, начиная с протокола, который изобрел наш бывший соотечественник Михаил Лукин - выпускник физтеха, сейчас является одновременно профессором в Гарварде и одним из руководителей Российского квантового центра, эта наука активно развивается. Сейчас мы умеем сохранять свет с эффективностью примерно 90%. Если мы запускаем импульс света в среду, то мы можем его остановить, затем сохранить не сам свет, а квантовую информацию, а потом выпустить импульс примерно в том же квантовом состоянии с эффективностью 90%, то есть 90% энергии останется.

Соотношение энергии и информации зависит от конкретного состояния и поэтому зависит от способа кодирования информации. Если мы кодируем информацию в простых состояниях, то информация сохраняется лучше. Если мы кодируем информацию, например, в высокоэнергетических состояниях, а энергия сильно меняется, тогда информации практически не будет. 90% для информации – это очень неплохо. Понятно, что потеря 10% информации для компьютера никуда не годится. Но на самом деле на диске значительная часть информации действительно теряется. Это намеренная избыточность, но существуют алгоритмы коррекции ошибок, которые позволяют сохранять информацию совершенно безошибочно.

Квантовые системы

С одной стороны, квантовые технологии - необходимость, с которой мы столкнулись. Наши компьютеры становятся все меньше, и классические законы уже не всегда действуют. Например, начинает немножко греться процессор из-за туннельного эффекта. Сейчас это, конечно, незначительные эффекты, но они будут все более значительными.

Тут я должен подчеркнуть, что квантовая физика сама по себе использовалась давно. Транзистор является квантовым прибором, он основан на физике твердого тела, т.е. на квантовой физике. А сейчас речь идет о квантовой физике именно индивидуальных квантовых объектов. Между ними есть разница: хотя то, с чем мы имели дело до этого, управлялось квантовой физикой, это все равно были большие объекты, в которых действовало приближение к классической физике. А сейчас эти приближения уже нельзя использовать: они просто не действуют.

Первое, что здесь можно отметить, - развитие квантовых систем даст нам массу трудностей. Классическая физика интуитивна, мы к ней привыкли. Мы уже сто лет развиваем электронику – сначала на лампах, теперь на полупроводниках. У нас появилась некая интуиция - знания, умения, с которыми мы живем. Инженер знает, что процессор с размером транзисторов 22 нанометров будет вести себя примерно так же, как и процессор с размером 130 нанометров. А вот если это не 22 нанометра, а 2 нанометра, то это будет уже совершенно другой принцип работы. Проблема в том, что инженер не будет понимать, что ему тогда с этим делать. Это барьер в развитии, который нужно преодолеть. Своего рода квалификационный дефицит. Если обычно наука шагает далеко впереди технологий, то тут мы получаем обратную ситуацию: квантовые системы практически сразу будут экстраполировать в массовое производство. Сначала обычные компьютеры уменьшаются до квантового состояния, а потом уже появляются квантовые специалисты. Это обратный процесс.

Во-вторых, благодаря тому, что начинают действовать новые законы, перед нами появляется совершенно новый горизонт. Представьте себе: вы пришли на стадион и видите, что мяч летит через двое ворот одновременно или начинает летать по-другому в зависимости от того, есть на трибунах зрители или нет. Вот насколько непривычны законы квантовой физики. И мне трудно себе представить, что они когда-либо станут для нас интуитивно привычны.

Говоря о квантовых технологиях - речь идет о возможности организации информации немного иным образом, нежели мы привыкли. Руководствуясь иной логикой и используя, соответственно, иные способы решения некоторых типов задач, мы получаем, например, идею квантового компьютера. Новые решения, связанные с передачей информации, позволяют нам создавать квантовую коммуникацию.

Квантовая криптография

Тут важно сказать, что квантовые технологии - это не просто квантовые компьютеры. Квантовые технологии – это целый спектр возможностей. Квантовый компьютер сам по себе не очень хорошая вещь, потому что он годится только для одного класса задач, и скорее для деструктивного класса, а именно – для расшифровки криптографических кодов. Как говорят, нынешнее общество – это общество информационного века, которое очень сильно зависит от защиты, безопасности информации.

Практически единственная задача, которую квантовый компьютер выполняет хорошо, – это нарушение этой защиты. Он быстро считает определенный класс задач, но их круг ограничен. Задания находятся в суперпозиции, и это, казалось бы, хорошо, потому что позволяет параллельно решать многие задачи. Но тогда получается, что и ответ тоже будет в состоянии суперпозиции, только нам не нужны все ответы одновременно. Нам нужен какой-то конкретный ответ, и как этот ответ вытащить из всей этой кучи, не совсем понятно. Именно поэтому класс задач ограничен. Теоретически мы квантовые вычисления понимаем довольно неплохо, поэтому вряд ли этот круг задач будет расширен.

Так вот, квантовая криптография – шифрование – безусловно, входит в круг квантовых технологий. Криптография относится не только к военному делу; в нынешнем мире она применяется очень широко. Например, когда вы покупаете книжку в интернете, вы печатаете номер вашей кредитной карточки. Затем он передается на сервер в зашифрованном виде. Или когда вы берете деньги из банковского автомата, номер вашей карточки и пароль передаются в зашифрованном виде. Важно, что криптографические задачи – это о создании кода определенным образом.

Криптография – довольно древнее ремесло, и оно развивалось вдоль двух проспектов. Один из проспектов – это когда перед тем, как обменяться секретной информацией, люди договариваются о неком секретном коде. И этот секретный код известен только тем, кто обменивается, а другим неизвестен, поэтому можно пересылать зашифрованную информацию. Это не расшифрует даже квантовый компьютер.

Когда вы покупаете что-то в интернете, ваш компьютер с сервером до этого не общался, и ему договориться с сервером о коде по закрытым каналам было нельзя. Тогда они вынуждены прибегать к определенному методу, который, собственно, и относится к сфере криптографии. Как мне кажется, это гениальное изобретение, потому что метод позволяет зашифровать что-то между двумя людьми или двумя компьютерами, которые до этого не имели возможность пообщаться и договориться о чем-то секретном. И, казалось бы, невозможно договориться так, чтобы никто другой не мог это расшифровать. Оказывается, возможно, но эта возможность шифрования основана на трудности решения определенной математической задачи.

Один из серверов придумывает математическую задачу, дальше дает исходные данные для этой задачи другому серверу. Зашифровать с помощью исходных данных несложно, компьютер может сделать это довольно быстро, практически мгновенно. А вот расшифровать, зная только условия задачи, но не зная решения, - трудно. Для этого обычному компьютеру потребуются годы, тысячелетия. В общем, практически невозможно. А квантовый компьютер сможет это решить за несколько секунд именно за счет иного принципа решения, которое, соответственно, и ведет к быстродействию при решении определенного вида задач.

Сам по себе термин квантовая криптография не совсем точен, потому что фактически ничего не шифруется. Суть в том, что информация передается открыто, но никто ее не может прочесть, а если прочтет, это будет замечено. Криптография заключается в чем? В кодировании информации посредством одной элементарной частицы. В основном используются элементарные частицы света – фотоны, - и информация кодируется в квантовых состояниях фотона. В частности, речь может идти о поляризации фотона. Свет – это волна, и колебания в волне идут либо вверх-вниз, либо вправо-влево, и такое направление колебаний, поляризация, происходит в квантовом состоянии.

Один из основных постулатов квантовой механики в том, что пытаясь измерить состояние квантовой системы, мы это состояние нарушаем. Что это значит для криптографии? Что если между отправителем и получателем находится тот, кто пытается подслушать, пытается поймать эти фотоны, померить их состояние и украсть информацию, то он обязательно нарушит состояние этих фотонов и будет замечен. Тут же станет понятно, что канал не является безопасным.

Что касается квантовой криптографии, то она уже существует. Есть коммерческие фирмы, которые производят аппараты, которые можно подключить к коммерческой телекоммуникационной сети. Это обеспечивает квантовую коммуникацию между двумя пунктами. Пока речь идет о паре сотен километров, но мы надеемся, что в ближайшее время это разовьется до межконтинентальных масштабов.

А вот квантовое моделирование и квантовые датчики - это более далекая перспектива. Может быть, 5-10 лет. До квантовых компьютеров - еще дольше. Не факт, что это будет в том виде, как мы это сегодня себе представляем.

Моделирование и квантовые датчики

В понятие квантовые технологии входят самые разнообразные вещи. Например, квантовое моделирование. В квантовом моделировании речь идет о такой, казалось бы, скучной вещи, как физика твердого тела. Она чрезвычайно трудна, и на ней основывается наука о материалах. Зачем нужны новые материалы – более или менее понятно: любая новая технология становится возможной, в частности, благодаря новым материалам. Пока что наука о материалах не очень понятна.

Твердое тело представляет собой набор атомов и электронов, укомплектованных в очень плотный объем, и физически смоделировать это твердое тело, эту квантовую систему с помощью обычного компьютера практически невозможно. А с помощью квантового компьютера - можно. Мы моделируем твердое тело, которое является очень сложным квантовым объектом, но с известными свойствами.

Как правило, для моделирования используются атомы, охлажденные до миллионной доли градуса выше абсолютного нуля, которые тщательно изолированы от окружающей среды, и которые, тем не менее, взаимодействуют друг с другом определенным образом. Свойства атомов физикой изучены неплохо, и наблюдая, как эти атомы взаимодействуют друг с другом, можно делать выводы о том, как работает твердое тело. А дальше на основании этих выводов можно разрабатывать новые материалы уже не вслепую, а систематически.

Что это значит для нас на практике? Очень многое. Например, высокотемпературная сверхпроводимость при комнатной температуре, которая позволит уничтожить потери в электрических сетях. Те миллиарды киловатт, которые теряются, теряться не будут. Или сверхлегкие, сверхпрочные сплавы. Или поезда на магнитной подушке, которые движутся со скоростью самолета.

Можно назвать еще одну технологию - квантовый датчик, - которая была придумана совсем недавно, но это очень перспективная, интересная технология. Квантовый датчик – это дефект в кристалле, размером с один атом. Оказалось, что в некоторых случаях мы можем контролировать и измерять квантовое состояние этого самого дефекта. Это интересно, потому что квантовое состояние чувствительно к внешним полям, и таким образом мы можем измерять электрические, магнитные поля с колоссальной точностью и колоссальным пространственным разрешением. Такой квантовый датчик можно внедрить в живую ткань, в клетку, и понять, как эта клетка или отдельные ее части функционируют. Можно внедрить его в мозг и понять, как функционирует нейронная сеть. Тут тоже можно пофантазировать и поговорить о переносе человеческого сознания в компьютер и других фантастических вещах.

Идея квантового компьютера

В квантовой механике совершенно иначе работают правила классической логики. В этом заключается и идея квантового компьютера. Это не машина Тьюринга, предложенная известным ученым Аланом Тьюрингом. Все современные компьютеры по своей сути одинаковы, и принцип их работы можно свести к очень простой машине. Она состоит из записывающей головки и записывающей ленты. Головка может двигаться вправо и влево в соответствии с информацией, записанной на ленте. Это, фактически, двоичный код – плюс и минус. Квантовый компьютер тоже использует двоичный код, но может использовать не только плюс и минус, а также ноль плюс единица (0 + 1) или ноль минус единица (0 - 1). Это не троичная система, а нечто более сложное. Возможен, напрмер, такой вариант: четыре нуля плюс четыре единицы.

Квантовый компьютер интересен для вычислений, потому что вычисления можно проводить именно в состоянии суперпозиции: компьютерам можно дать исходные данные в состоянии суперпозиции многих данных, и компьютер, проводя лишь одно вычисление, параллельно проводит вычисление со всем этим набором данных со всей суперпозиции.

Чтобы понять, о чем идет речь, представим себе телефонную книгу для миллионного города. Телефонная книга состоит из имени и телефонного номера. Допустим, что миллион имен – это 10 байт, а миллион телефонных номеров – 7. В итоге получаются все 17 мегабайт. А квантовый компьютер ту же самую информацию может записать как состояние суперпозиций всех имен и всех телефонных номеров, то есть всего в 17 квантовых байтах помещается практически столько же информации, сколько в этой огромной телефонной книге.

Емкость информации – это принципиальный выигрыш. А дальше, допустим, добавилась какая-то цифра в начале. Тогда мы можем одновременно провести операцию с большим количеством данных, аналогичных друг другу. Обратим внимание на слово «одновременно». Что это значит? Например, известно, что современный процессор может быть многоядерным – 4 или 8 ядер, и все эти ядра одновременно решают разные задачи. При этом одно ядро решает свою задачу, а все вместе они могут делать какие-то многозадачные, сложные вещи. Так вот квантовый компьютер параллельно может решать бесчисленное множество задач, намного больше, чем четырех- или восьмиядерный процессор.

Я попробую объяснить простыми словами, почему бесчисленное множество, хотя это сложно. Это экспоненциальный рост вычислительной мощности как функции от количества битов, то есть компьютер с одним битом может решать две задачи, с двумя битами – четыре задачи, с тремя битами – восемь задач и т. д.

Мы пока не знаем, как будет выглядеть и работать то, что мы пытаемся сделать. На экспериментальном уровне ученые добились немногого. Физики создали 14-битный квантовый компьютер – он очень маленький по сравнению с тем, к чему мы привыкли. Наше представление о квантовом компьютере сейчас, в общем-то, сравнимо с представлением об обычном компьютере в конце ΧΙΧ века. Мы даже не знаем, какой физический носитель наиболее оптимален для его создания. Мы знаем, что для обычного компьютера это полупроводниковые наноструктуры. А с квантовыми компьютерами люди пробуют самые-самые разные системы: и сверхпроводники, и атомные газы, и даже фотоны.