(закінчення . Початок див. Тут: 1, 2, 3).
Це почалося дуже, дуже давно. О 9 вечора 29 листопада 1969 року на екрані новенького комп’ютера honeywell ddp-516, що знаходився на території кампуса стенфордського університету (каліфорнія, сша), раптово висвітилися дві букви lo. При цьому ніхто з інженерів, що знаходилися поруч, не торкався ні до яких пристроїв введення. Звідки ж виникли ці загадкові букви і що вони означали?
поява першої мережі
Інформація прийшла здалеку. За 600 кілометрів від стенфорда, в каліфорнійському університеті лос-анджелеса, оператор точно такого ж цифрового комп’ютера намагався віддалено підключитися до комп’ютера в стенфорді, вводячи послідовно букви слова login. Передача перших двох букв по існуючих телефонних лініях компанії at&t пройшла успішно, але на третій букві система дала збій. Годиною пізніше операцію передачі даних по мережі вдалося довести до успішного кінця, що поклало початок першої комп’ютерної мережі в історії людства, arpanet.
Почавши всього з двох терміналів, мережа arpanet стрімко розвивалася і до 1973 року налічувала вже кілька десятків серверів, що знаходилися не тільки на території сша, але і в європі. Ще десятиліття потому, паралельно з arpanet (фінансованої агентством міністерства оборони сша з перспективних досліджень, darpa) була запущена мережа національного наукового фонду сша (national science fund, nsf), nsfnet, що ставила за мету ефективний обмін інформацією між науковими інститутами і спільний доступ до обчислювальних ресурсів (в тому числі, суперкомп’ютерів). Завдяки новим технологіям мережа nsfnet була істотно швидше своєї попередниці, а кількість підключених до неї комп’ютерів зростала неймовірними темпами. У 1990 році вона поглинула морально застарілу arpanet, а ще через пару років стала основою існуючої нині мережі інтернет.
першою людиною, яка увійшла в arpanet з віддаленого хоста, став чарлз клайн; на записці видно дата і час / © charles s. Kline
мережа об’єднує
Перераховувати всі достоїнства інтернету (не кажучи вже про його недоліки) не має великого сенсу: за три десятиліття свого існування ця технологія міцно увійшла в наше повсякденне життя, проникнувши практично в усі її сфери. Поява не тільки самих персональних комп’ютерів, але і їх об’єднання в глобальну мережу дозволило створити абсолютно нові області економіки і кардинально змінити роботу з інформацією. Навіть ці рядки ви навряд чи б прочитали, не будь у вас доступу в інтернет.
Але причому тут квантові технології? провести поверхневу аналогію нескладно – якщо ми змогли об’єднати в мережу класичні комп’ютери, то можна точно так же з’єднати між собою і квантові комп’ютери. Один кабель сюди, інший туди, – і, вуаля, квантовий інтернет готовий! звучить не складніше, ніж настройка нового wifi-роутера, чи не так? диявол, як завжди, криється в деталях.
З одного боку, як ми писали в другій статті нашої серії, ще в 2016 році компанія ibm відкрила доступ до прототипів своїх квантових комп’ютерів для всіх бажаючих через інтернет. За минулі п’ять років кількість підключених до мережі квантових комп’ютерів ibm перевалила за десяток, а географія їх розміщення охопила кілька континентів. Чи можна тоді вважати, що квантовий інтернет вже створений? на жаль, не все так просто.
карта інтернету, зроблена на основі даних 2005 року. Кожна лінія-зв’язок між двома окремими вузлами мережі / matt britt (cc by)
Незважаючи на те що пристрої компанії ibm (і її конкурентів по квантовій гонці) можуть передавати дані по мережі інтернет, при цьому відбувається перетворення квантових бітів (кубітів) в класичну інформацію — звичні нам нулі і одиниці. У процесі такого перетворення, на жаль, губляться квантові властивості кубітів-суперпозиція і заплутаність, які і давали кубітам перевагу перед бітами класичними. Відповідно, проводити таким чином розподілені квантові обчислення на декількох, об’єднаних в мережу, квантових комп’ютерах не вийде-заданий квантовий стан буде існувати тільки всередині кожного з пристроїв, але не буде розподілено між ними.
З іншого боку, якби ми могли якимось чином уникнути описаного вище перетворення і безпосередньо передавати по мережі самі кубіти, зберігаючи їх квантовий стан на шляху від одного комп’ютера до іншого, то це дозволило б проводити повномасштабні квантові обчислення на існуючих прототипах квантових процесорів з десятками кубітів. Адже, з’єднавши в одну мережу безліч таких пристроїв, поступово з’являються в лабораторіях по всьому світу, ми могли б досягти сумарної обчислювальної потужності (кількості надійно працюючих кубітів) набагато перевершує кожен окремий процесор окремо і достатньої для вирішення реальних завдань (в тому числі, і для виконання алгоритму шора).
дослідницький центр томаса дж. Уотсона, ibm quantum lab / ibm research (cc by-nd)
Конфіденційний доступ
Ще одна перевага такої квантової мережі, здатної передавати кубіти між своїми вузлами, це можливість захищеного доступу до ресурсів будь-якого квантового комп’ютера, що знаходиться в хмарі. Це означає, що, підключившись до квантовому комп’ютера по квантовому каналу, можна не тільки виконувати на ньому довільні квантові алгоритми і зчитувати результати їх виконання, але і робити все це без розкриття будь-яких даних. Таким чином, квантовий комп’ютер може виробляти операції з квантовими даними, нічого не знаючи ні про виконуваний ним алгоритм, ні про передані йому дані. Єдина додаткова вимога до такої системи – крім квантового каналу зв’язку) – наявність призначеного для користувача терміналу, здатного виробляти однокубітні операції.
Нарешті, можна ще більше спростити таку систему, прибравши з неї квантовий комп’ютер і залишивши лише пару квантових терміналів для генерації і зчитування одиночних кубітів, з’єднаних між собою квантовим каналом. Навіть така спрощена система квантової комунікації володіє одним гігантським перевагою в порівнянні з існуючими класичними мережами, і справа тут, знову ж таки, в безпеці переданих даних. Як ми розповідали в другій статті серії, створення квантового комп’ютера з можливістю запуску алгоритму шора ставить під загрозу захищену передачу зашифрованих даних в інтернеті (причому потенційно не тільки переданих прямо зараз або в найближчому майбутньому, але і в принципі всіх, що передавалися коли-небудь по мережі). На відміну від класичних протоколів шифрування, безпека даних у квантовій комунікації забезпечується не обчислювальною складністю математичних операцій, але самими фундаментальними властивостями квантових систем – суперпозицією і заплутаністю, тому квантові комп’ютери таким мережам не страшні.
зображення дейтрона, зв’язаного стану протона (червоний) і нейтрона (синій) / andy sproles, ornl (cc by)
3 сценарію використання квантових мереж
Фотони – кращі друзі
Подібна концепція квантово-захищеної передачі даних з’явилася ще в середині 80-х років і отримала свою першу практичну реалізацію в 1989 році, коли в лабораторії компанії ibm був створений прототип оптичного пристрою, передавав і брав зашифровані фотони на відстані півметра. З самого початку було зрозуміло, що саме передача даних за допомогою світла – найбільш простий спосіб реалізації квантових мереж. Простота цього методу очевидна, адже фотони самі по собі є квантовими об’єктами, а їх квантовий стан можна зашифрувати, наприклад, в їх поляризації — напрямку коливань електромагнітного поля в світловому пучку.
Ще один аргумент на користь фотонів — існування розгалуженої мережі каналів зв’язку на основі скляного оптоволокна, по якому передається все більше даних в інтернеті. Ще не так давно це було промисловою технологією, але тепер оптоволоконні кабелі часто можуть бути протягнуті безпосередньо до роутера в квартирі, забезпечуючи небачені раніше швидкості передачі даних, аж до гігабітів в секунду. Теоретично ці ж самі лінії зв’язку можуть бути використані і для розгортання квантових мереж, потрібно лише додати до джерел і детекторів фотонів можливість кодування-декодування їх поляризації.
світлодіодна лампа зі скловолокна синього кольору / 4028mdk09 (cc by-sa)
З використанням оптоволокна в якості ліній квантового зв’язку виникає лише одна, але істотна проблема – оптичні втрати. Незважаючи на те що матеріал оптоволокна (скло) прозорий для переданого по ньому світла, мікроскопічні дефекти і неоднорідності, що виникають при його промисловому виготовленні, призводять до розсіювання і поглинання частини фотонів при їх поширенніПо волокну. У разі класичних сигналів, що несуть велике число фотонів в кожному світловому пучку, ця проблема цілком вирішувана. По-перше, частина фотонів завжди доходить до кінцевої точки, а по-друге, класичний сигнал завжди можна підсилити «по дорозі», скориставшись одним з комерційно доступних оптичних підсилювачів. Таким чином можна передавати класичні сигнали по оптоволокну на відстань сотень і навіть тисяч кілометрів.
Не так просто йде справа з квантовими каналами, по яких ми повинні передавати не просто пучки світла, а поодинокі фотони. Поширюючись по довгому оптоволокну, приблизно половина фотонів втрачається кожні 10 кілометрів, тому на практиці дуже складно встановити квантову комунікацію по оптоволокну на відстані, що перевищує 100-200 кілометрів. В межах одного міста це обмеження не є принциповою проблемою (квантові захищені лінії зв’язку вже існують у багатьох містах світу, в тому числі і в москві), але ось передача квантових даних по оптоволокну між містами стає проблемою. Крім того, через оптичних втрат і шуму детекторів одиночних фотонів швидкість передачі даних в квантових мережах часто обмежена кілобітами в секунду (замість звичних нам мега-і гігабіт в традиційних мережах).
Просто космос
Уявна прірвою різниця в швидкості передачі даних, насправді, не представляє великої проблеми, адже на поточний момент передачі тисячі кілобіт в секунду вже досить — що для управління квантовим комп’ютером, що для побудови системи захищеної передачі даних. А ось проблему з граничною відстанню передачі вирішувати необхідно, і на сьогоднішній день є два основних варіанти обійти межу в сотню-другу кілометрів. Перший з них досить простий і в той же час геніальний у своїй простоті. Що якщо замість скляного волокна використовувати інше середовище передачі з меншими втратами? наприклад, розріджене повітря або, ще краще, вакуум?
© nasa gsfc
Як ви, можливо, вже здогадалися, мова йде про передачу квантових сигналів на великі відстані через супутникові канали зв’язку. У такій схемі основні втрати фотонів припадають на перші 5-10 кілометрів поширення в атмосфері, а далі повітря стає настільки розрідженим, що втратами можна практично знехтувати. Виходить, що навіть незважаючи на в кілька разів більші втрати в нижніх шарах атмосфери, в порівнянні з оптоволокном, ми отримуємо гігантський виграш при передачі сигналу на сотні кілометрів. При цьому в даному методі практично відсутнє обмеження на дальність передачі квантового сигналу, так як основний шлях фотони проходять в космосі.
Супутникова модель квантових комунікацій особливо активно розвивається в останні 15 років в китаї, де в рамках державного проекту з квантових експериментів в космосі був розроблений і запущений перший в світі супутник, призначений для квантової передачі інформації. Супутник “мо-цзи” був виведений на 500-кілометрову орбіту в серпні 2016 року, а вже влітку 2017-го на ньому була продемонстрована передача квантової інформації на відстань понад 1200 кілометрів. За останні роки супутниковий квантовий зв’язок був інтегрований в китайську міжміську квантову мережу, що об’єднує чотири міста на східному узбережжі китаю. Таким чином, вона з’єднала населені пункти, віддалені один від одного майже на 5000 кілометрів. Кінцева мета проекту-продемонструвати можливість міжконтинентальної квантової комунікації.
Не підсилювачем, так повторювачем
Супутники для квантових експериментів-це добре, але дуже-дуже дорого (один такий супутник обійшовся китаю в 100 мільйонів доларів). Чи не можна якось все-таки використовувати існуючу оптоволоконну інфраструктуру? можна, якщо створити так звані квантові повторювачі, періодично розташовані уздовж оптоволоконних кабелів. Чим вони відрізняються від існуючих оптичних підсилювачів і чому досі не використовуються повсюдно? на відміну від класичного сигналу, «посилити» окремий фотон, що несе квантову інформацію, так просто не вийде. Точніше, це взагалі ніяк не вийде — через фундаментальне обмеження, званого «теоремою про заборону клонування (no-cloning theorem)». Суть його в тому, що ніякий пристрій або метод не може створити ідеальну копію невідомого квантового стану (наприклад, поляризації окремого фотона), а значить, і «компенсувати» втрату квантової інформації, переданої по оптоволокну, теж не вийде.
iqoqi / harald ritsch
Саме для вирішення цієї проблеми в 1998 році була запропонована геніальна ідея квантових повторювачів, заснована на опублікованому за кілька років до цього методі квантової телепортації. На відміну від широко розповсюдженого в науковій фантастиці терміна, справжня квантова телепортація, на жаль, не може миттєво переміщати фізичні об’єкти. Зате, використовуючи квантову заплутаність (entanglement), з її допомогою можна миттєво переносити довільний квантовий стан з однієї частинки на іншу, причому знаходиться на довільному видаленні від першої. Перша експериментальна демонстрація квантової телепортації стану фотонів була проведена в кінці 1990-х групою австрійських фізиків в інсбруку, а з початку 2000-х цей метод став повсюдно використовуватися для цілей квантової комунікації.
концепція та реалізація експерименту з телепортації квантового стану фотона / © nature
Спрощена схема протоколу квантової телепортації полягає в наступному. Пара заплутаних фотонів, згенерованих нелінійним кристалом під дією лазерного імпульсу, розділяється між собою і відправляється по двох оптичних каналах зв’язку в точку а і б, відповідно. У точці а вже приготований в заданому квантовому стані (поляризації) інший фотон, стан якого ми і хочемо передати в точку б. Для цього ми заплутуємо з прилетів від джерела фотоном фотон з точки а (виконуємо так зване вимірювання белла), при цьому другий заплутаний фотон з пари, що прилетів в точку б, миттєво виявляється в стані фотона з точки а, в повній відповідності з правилами квантової механіки.
Розширивши таку систему до декількох джерел заплутаних фотонів, ми отримаємо можливість передавати стан фотона з точки а в точку б, розташованих на довільній відстані один від одного, через ланцюжок таких квантових повторювачів, розставлених через кожні 100 кілометрів оптоволоконного кабелю і обмінюють заплутані стану своїх фотонів один з одним. Трохи простіше зрозуміти цей процес “обміну заплутаністю” (entanglement swapping), представивши його собі наочно — наприклад, як на зображенні нижче.
© ieee
Але для створення повноцінних квантових повторювачів за описаною вище схемою не вистачає так званої “квантової пам’яті«, здатної зберігати один із заплутаних фотонів до тих пір, поки всі вузли мережі не будуть готові зробити» обмін” отриманими заплутаними фотонами, а потім, по команді, знову посилати збережені фотони по квантовому каналу. Варіанти створення такої пам’яті досліджувалися з початку 2000 — х-були запропоновані реалізації на легованих кристалах, точкових дефектах, атомах і іонах в пастках, а також окремих молекулах, і до теперішнього моменту багато з них успішно працюють в лабораторних умовах. З огляду на величезний потенціал цих технологій і активні інвестиції в їх розробку, перші комерційні зразки квантової пам’яті і квантових повторювачів вийдуть на ринок протягом найближчих кількох років.
Як підключати будемо?
Окремого обговорення заслуговує і інтерфейс, за допомогою якого можна буде підключати пристрої до квантової мережі (наприклад, квантові комп’ютери). Для технологічних платформ, де контроль над кубітами здійснюється за допомогою лазерних імпульсів (атоми або іони в пастках, інтегрована фотоніка, точкові твердотільні дефекти), взаємодія з фотонами, що передаються по оптоволокну, на перший погляд може не являти особливої проблеми: потрібно тільки підібрати правильну довжину хвилі (частоту використовуваного світла). В реальності більшість квантових каналів працюють в так званому телекомунікаційному діапазоні інфрачервоного спектра (довжина хвилі ~1500 нанометрів), в той час як довжини хвиль, використовуваних для управління кубітами різних типів, різняться від ультрафіолету до ближнього інфрачервоного випромінювання. Перетворення сигналів між цими довжинами хвиль вимагатиме розробки додаткових оптичних пристроїв.
реалізація квантового зв’язку в лабораторії андреаса вальраффа. Трубка в центрі містить сильно охолоджуваний хвилевід, який з’єднує два квантових чіпа в їх кріостатах за допомогою мікрохвильових фотонів / eth zürich / heidi hostettler
Ще цікавіше виглядає завдання підключення до мережі квантових процесорів на надпровідних кубітах. Більшість з цих систем управляєтьсяЧи не оптичними, а мікрохвильовими імпульсами (з частотою порядку гігагерц, що відповідає довжині хвилі в кілька сантиметрів). Перетворення сигналів з гігагерцевого діапазону надпровідних кубітів в сотні терагерцевих фотонів вимагає нових гібридних систем-трансдьюсерів, що зв’язують разом кілька мод збудження. Наприклад, можна за допомогою змінного електричного сигналу в гігагерцевому діапазоні модулювати коливання проводить мікрозеркала, що відображає фотони інфрачервоного світла. У свою чергу, падаючі на таке дзеркало фотони можуть порушувати і окремі кванти коливань (фонони), що модулюють гігагерцовий електричний сигнал. Ще один підхід-використання електро-оптичних модуляторів на нелінійних кристалах.
Нарешті, що знаходяться в безпосередній близькості окремі квантові комп’ютери на надпровідних кубітах, що знаходяться кожен в своєму кріостаті, можна з’єднати і мікрохвильовим хвилеводом, передаючи квантовий стан з одного кріостата в інший. Протягнути такий хвилевід на сотні кілометрів буде досить складно, але зв’язати таким чином квантові процесори в рамках однієї лабораторії цілком можливо. Наприклад, перша успішна демонстрація такої системи на практиці була проведена в 2020 році в лабораторіях вищої технічної школи цюріха (ethz).
А що в росії?
Росія не відстає від світових лідерів в області квантових комунікацій і останнім часом стрімко нарощує впровадження вітчизняних розробок. Так, в 2016 році в москві була запущена перша квантова захищена лінія зв’язку, що з’єднала дві будівлі газпромбанку, розташовані на відстані 30 км один від одного. Унікальне обладнання для цієї лінії було розроблено спін-оффом російського квантового центру, компанією qrate. Ще одну квантову лінію зв’язку ця ж компанія запустила в 2020 році, з’єднавши два дата-центру держкорпорації «росатом». А влітку 2021 року між санкт-петербургом і москвою була запущена вже перша міжміська квантово-захищена лінія зв’язку, загальною протяжністю понад 700 кілометрів.
російський квантовий центр / qrate-quantum solutions
Ось що відповів naked science на питання про перспективи галузі павло воробйов, виконавчий директор компанії-розробника обладнання на основі квантової криптографії qrate:
— на даний момент в росії затверджені дві “дорожніх карти” – з квантових обчислень і квантових комунікацій. “дорожня карта” з квантових комунікацій ставить своєю метою створення вітчизняної інфраструктури для квантової захищеної передачі даних (перша ділянка квантової мережі вже побудований між москвою і санкт-петербургом в квітні 2021 року). Взагалі в області квантових комунікацій в росії працюють як мінімум три сильні команди: компанія qrate, що зародилася в лабораторіях російського квантового центру, фахівці з мгу, які співпрацюють з корпорацією «інфотекс», і команда пітерського ітмо, що працює разом з самарською компанією «смартс кванттелеком .
Для будь — якої системи квантового розподілу ключів основні характеристики-безпека і швидкість генерації секретного ключа, і тут qrate відповідає світовому рівню. Тобто на відстані 50 кілометрів ми цілком можемо генерувати більше 10 кілобіт ключа, на відстані 100 кілометрів — більше 1 кілобіта ключа, в той час як наші російські конкуренти — в десятки разів менше. Побудована на 700 кілометрів мережа між пітером і москвою складається з відрізків, прокладених між проміжними довіреними вузлами, тому швидкість всієї мережі визначається самим «повільним» ділянкою. За такою ж схемою працює і найдовша в світі китайська квантова мережа.
російський квантовий центр / qrate-quantum solutions
Крім інфраструктурних проектів ржд, в росії вже запущені дві некомерційні квантові мережі. Одна з них — створена нами мережа з відкритим доступом, що складається з п’яти вузлів, – об’єднує два вузи-місіс і мтусі. Друга вузівська мережа мду побудована на обладнанні компанії «інфотекс». Також, наскільки я знаю,» смартс кванттелеком ” реалізував квантову захищену мережу в самарській області. Згідно з “дорожньою картою”, до 2024 року в росії буде побудовано не менше 7000 кілометрів квантових мереж, що об’єднують москву, нижній новгород, казань та інші міста рф.
Крім інфраструктурних проектів ржд, в росії вже запущені дві некомерційні квантові мережі
Їх планують створити з використанням існуючої технології, що вимагає наявності довірених вузлів кожні 100 кілометрів. Однак ми працюємо над збільшенням граничної відстані в два-три рази і швидкості генерації секретного ключа, аж до мегабіт в секунду.
Інший перспективний напрямок-передача ключа через відкритий простір: у такій великій країні, як росія, неможливо прокласти оптоволокно скрізь. Тут чималі успіхи вже досягнуті компанією qspace. Ми також активно взаємодіємо з китайськими колегами і одні з небагатьох у світі маємо доступ до їх квантового супутника, сигнал з якого змогли отримати. Також ведуться роботи зі створення повноцінного квантового інтернету, наприклад, в місіс в рамках програми»пріоритет-2030″.
Взагалі, ми дуже позитивно оцінюємо розвиток квантових мереж в росії. Це стосується не тільки фундаментальних досліджень і пов’язаних з» дорожньою картою ” інфраструктурних проектів. Великий інтерес до технології безпечної передачі даних починає проявляти комерційний сектор, в тому числі, банки. Крім того, інтерес є і в освітніх організацій, які висловили бажання в наступному році підключитися до нашої відкритої квантової мережі.
російський квантовий центр / qrate – quantum solutions
Замість післямови
Стрімкий прогрес останніх років (і навіть останніх місяців) в області квантових технологій дуже вражає. З’являються все нові сміливі експерименти і пристрої, про які навіть мріяти не могли засновники квантової механіки! квантові процесори на десятках кубітів успішно функціонують в лабораторіях по всьому світу, а квантові комунікації покривають все більші території. Радує і все зростаючий інтерес до квантових технологій з боку інвесторів, великих технологічних компаній, а також широкої публіки, що намагається встежити за потоком новин з «квантовими» заголовками. Ми сподіваємося, що серія статей цього спецпроекту допоможе всім бажаючим почати трохи краще орієнтуватися в темі квантових технологій і з ще більшим ентузіазмом стежити за розвитком цієї області в росії і в світі.
