Компания id Quantique и новая эра квантовых компьютеров


Выхожу сегодня на улицу, солнце светит, птички поют, небо такое голубое. Все вроде бы такое, как было вчера: то же солнце, те же птички, да и небо вроде бы то же самое, но что-то не так, нутром чувствую, что не так. Просто сегодня началась новая эра, новая эра квантовых компьютеров. Компания id Quantique анонсировала первое коммерческое устройство, действие которого основано на фундаментальных законах квантовой физики.

Теория квантовых вычислений ведет свою историю с тех незапамятных времен, когда не было даже «классических» персональных компьютеров IBM PC, с 1970 года. В 1970 появилась рукопись Стивена Вейснера (Stephen Wiesner) под названием «Связанное кодирование» («Conjugate Coding»). После этого прошло более десяти лет, пока книга была опубликована и еще около десяти, пока на нее обратили внимание. В начале 90-х ученые из многих стран начали интересоваться проблемой квантовых вычислений. Закон Мура получил широкое распространение, а со знанием этого закона пришло и осознание того, что рано или поздно прогресс «классических» компьютеров может закончиться, поскольку при уменьшении детализации все больше начнут сказываться квантовые эффекты в полупроводниковых структурах. По самым скромным оценкам, существующей технологии должно хватить до 2011-2015 годов, а потом новая технология должна заменить существующую. Какая именно технология может прийти на смену полупроводниковой — не берется говорить никто, но наиболее вероятной технологией многие ученые видят именно технологию квантовых компьютеров.

С начала 90-х и вплоть до сегодняшних дней во всем мире только увеличивались инвестиции в исследования новых квантовых эффектов. В 1994 Питер Шор (Peter Shor), научный сотрудник Bell Labs, предложил первый в мире квантовый алгоритм для быстрой факторизации чисел. Открытие это столь гениальное, сколь и опасное для современных вычислительных систем. Дело в том, что алгоритм факторизации позволяет значительно сократить время на расшифровывание кодированных сообщений, которые постоянно передаются по Сети. Немногим позже, еще один сотрудник Bell Labs, фабрики по производству Нобелевских лауреатов по физике (из стен Bell Labs вышло 11 лауреатов Нобелевской премии по физике), Лов Гровер (Lov K. Grover), разработал квантовый алгоритм быстрого поиска информации по неиндексированной базе данных. Эти достижения наметили начало прогресса в квантовых алгоритмах, что позволило надеяться на то, что полупроводниковой технологии готовится достойная замена.

Еще один центр по исследованиям квантовых вычислений заслуживает особого внимания. Разработанный в IBM Almaden Research Center совместно с учеными из Стэндфордского Университета и Университета Калгари первый квантовый компьютер состоял из 2 кубит (qubit), элементарных частиц, позволяющих производить квантовые вычисления. Согласно последним сообщениям за декабрь 2001 года ученым удалось довести «уровень детализации» квантовых компьютеров до 7 кубит.

Второй, не менее важной областью для применения квантовых алгоритмов является криптография. Как вы думаете, на какую программу было выдано в мире больше всего лицензий? Нет, ответ неправильный, это не Windows и даже не Linux (из уважения ко всем нелюбителям мастдая :). Это небольшая, но очень важная для передачи данных по сети программка от компании RSA Data Security Inc. Если вы просматриваете эту страничку с помощью Internet Explorer, то сами невольно ею пользуетесь. Не верите? Можете сами легко в этом убедиться. Просто прочтите сведения «О программе» в меню Internet Explorer. По последним данным, компания RSA Data Security Inc. во всем мире выдала всего около 470 млн. штук лицензий. Если пересчитать все количество лицензий, выданных компанией, на каждого пользователя Сети, то получится, что каждый пользователь Сети владеет хотя бы одной лицензией RSA Data Security Inc.

Несмотря на все эти ухищрения по выпуску программ шифрования, цифровых ключей и других систем безопасности, никто не может гарантировать, что передаваемая информация не будет перехвачена, а, следовательно, если информация будет перехвачена, то она может быть расшифрована, пусть на это потребуется компьютерного времени больше, чем возраст самой Вселенной. Даже оптоволоконные сети, славящиеся высоким уровнем безопасности передаваемой информации, не дают стопроцентной гарантии, что информация не будет перехвачена. В этом случае приходит на помощь компания id Quantique предлагающая на рынок первый коммерческий продукт по передаче информации, который гарантирует стопроцентную защищенность от перехвата. Система передачи квантовых ключей (Quantum Key Distribution, QKD) для безопасной передачи информации использует фундаментальные законы квантовой физики, а именно: перехват передаваемой информации обязательно влияет на передаваемую информацию и это влияние хорошо регистрируется. На основе этого можно сразу сделать заключение, что канал, по которому происходит передача информации, небезопасен, а, следовательно, принять меры по ликвидации перехватчика информации.

Перед тем, как рассказать об изобретениях компании id Quantique, давайте остановимся на ее краткой истории. Компания id Quantique была основана в 2001 году группой исследователей из женевского университета под руководством Грегора Риборди (Gregoire Ribordy) и Оливера Гуиннарда (Olivier Guinnard). Похоже на то, что именно в этом году было сделано открытие технологии, и основатели компании решили юридически это оформить. Появление компании и технологии сразу же было отмечено. Wall Street Journal Europe, европейское представительство знаменитого журнала, сразу же наградило компанию за лучшую инновацию в отрасли (European Innovation Awards). На выставке СeBIT'2002, ежегодно проводящейся в Ганновере, Германия, компания удостоилась еще одной награды Technologiestandort Schweiz за технологическую инновацию года.

Физика работы QDK достаточно сложна, однако попытаюсь максимально упростить ее и подать в удобочитаемом виде. Перед тем, как начать рассказ о физике квантовой криптографии, хочу заметить, что описываемое мною устройство прекрасно зарекомендовало себя в полевых условиях. Это не лабораторные исследования, где ученые пытаются максимально упростить задачи, для решения которых потребовались бы дополнительные меры. Существующий продукт использовался для проведения эксперимента по передаче информации в далекой швейцарской глубинке, которая лежит между Женевой (Geneve) и Лаузанной (Lausanne) (рис. 1).


Рис. 1. Именно здесь прошли полевые испытания первого квантового криптографического устройства (снимок со спутника).

Расстояние между двумя городами равнялось 67 км, что лишний раз подтверждает перспективность данной технологии. Такое значительное расстояние между конечными устройствами, которые используют безопасное соединение, не снилось даже изобретателям оптоволокна: компании Corning Glass, изобретателю оптоволокна, впервые удалось осуществить передачу информации по оптическому волокну на расстояние в несколько сотен метров. Несмотря на такие достижения в расстояниях передачи информации по квантовым каналам, длина передающего канала является самой болезненной проблемой для квантовых систем передачи. В то время, когда в оптических каналах легко можно использовать репитер для восстановления формы передаваемого по волокну сигнала, в квантовых системах передачи этот подход практически неосуществим. Хотя последние достижения в области оптики позволяют увеличить расстояние между репитерами от 80, как это было ранее, до нескольких сотен, а иногда и тысяч километров, за счет использования специальных волокон (эрбиевых и празеодимовых) и многих физических законов (в частности, для организации солитонных режимов передачи информации). Однако в отношении квантовых систем передачи ученые сталкиваются с проблемой полной регенерации параметров фотонов и их количества, что, исходя из тех же фундаментальных законов квантовой динамики, является неосуществимой задачей.

Для осуществления передачи между двумя городами была развернута система, состоящая из двух криптографических устройств, условно названных Боб (Bob) и Алиса (Alice) (рис. 2).


Рис. 2. Так выглядит эта милая парочка

Эти криптографические устройства, соединенные с компьютерами через имеющиеся USB-порты, осуществляли передачу ключей по защищенной от перехвата линии передач со скоростью 1000 бит/c. Скорость для оптоволоконных сетей не бог весть какая, однако это позволяет при поддержке стандарта Advanced Encryption Standard (AES, ключ 256 бит) передавать до 4 ключей за секунду. Основная информация передавалась по открытому каналу, роль которого играло одномодовое волокно (рис. 3).


Рис. 3. Информация передается по одному оптическому волокну, а ключи — по другому, защищенному сладкой парочкой

Защищенный же канал играл роль гаранта передачи информации в кодированном виде. По нему передавались открытые ключи, которыми кодировалась информация, передаваемая по основному каналу Ethernet. Защищенность квантового канала передачи достигалась за счет того, что Алиса передавала информацию Бобу в виде отдельных фотонов. Биты кодировались с помощью передачи поляризации каждого фотона. Поляризация фотонов выбиралась с помощью поляризаторов и составляла 0, 90, 45 и -45 градусов. Передача информации происходила следующим образом:


Рис. 4. Такой себе любовный треугольник

Алиса выбирает произвольным образом поляризацию передаваемого по квантовому каналу фотона за счет выбора одного из четырех поляризаторов.

Боб принимает фотоны с помощью произвольно выбранных фильтров. Также, как Алиса при передаче информации записывает последовательность поляризаторов, он записывает последовательность использованных фильтров.

Если Ева (Eve) пытается перехватить информацию, передаваемую по квантовому каналу, то она изменяет поляризацию передаваемых фотонов, что немедленно регистрируется Бобом и Алисой.

После передачи фотонов по квантовому каналу, Алиса и Боб обмениваются информацией по открытому каналу, из которой сопоставляют выбранным Алисой поляризаторам фильтры Боба (например, Боб пересылает последовательность выбранных фильтров. Алиса, в свою очередь, сообщает, какие фильтры были выбраны правильно).

Если Ева слушает передачу по открытому каналу, то она не сможет сопоставить фильтры Боба и поляризаторы, использованные Алисой.

Таким образом, в этом общении третий всегда остается лишним и не может встрять в общение сладкой парочки.

Система квантовой передачи ключей — не единственное изобретение ученых из Женевы. Их плодотворность в области научных исследований поражает: мало того, что они сделали Алису и Боба, они еще и квантовый генератор случайных чисел смастерили (Quantum Random Number Generator, QRNG). Проблема случайных чисел является одной из самых наболевших во многих областях компьютерного моделирования процессов, составлении реальных ситуаций и расчета эволюции систем. Дело в том, что в компьютере имеется генератор псевдослучайных чисел, который во многих случаях не справляется с возлагаемыми на него задачами. Расширение областей использования компьютеров ставит много новых проблем перед учеными во многих отраслях науки и техники. С каждым годом все больше и больше компьютерных систем закупается для моделирования процессов развития и эволюции вселенной, биологических процессов, поведения природных и экологических систем, прогнозирования экономических ситуаций, моделирования и расчета погоды. Все они в той или иной мере требуют равновероятностного развития моделируемой системы с течением времени во всех направлениях, чего не может обеспечить компьютер с генератором псевдослучайных последовательностей цифр.

Дорогой мой Читатель, надеюсь, что мне уже удалось заинтересовать тебя бескрайними горизонтами областей применения этого загадочного устройства, которое также, как и его предшественник, эксплуатирует законы квантовой физики. Тогда перейду к описанию принципа действия QRNG.


Рис. 5. Такое, грубое на первый взгляд, устройство имеет такую хрупкую «начинку»

Узкий сигнал длиной волны 830 нм попадает в одномодовое волокно, после прохождения которого он разделяется на два отдельных сигнала и попадает в два склеенных многомодовых волокна. В одном из двух многомодовых волокон создана задержка для упрощения системы регистрации фотонов, пришедших на выход. Вначале по многомодовому волокну приходят фотоны из короткого рукава, а потом — из длинного. Определив количество фотонов, пришедших из короткого рукава и количество фотонов, пришедших из длинного, мы тем самым вводим неоднозначность в наше определение чисел. Эта неоднозначность базируется на фундаментальных законах квантовой физики: фотоны не могут быть разделены на части, а, следовательно, они излучаются фотодиодом, поглощаются в оптическом волокне или воспринимаются фотодетектором только определенными порциями, квантуемыми отдельными порциями энергии. Более того, на эти процессы сильно влияют флуктуации температуры, всегда присутствующие в таких условиях.

Регистрация единичных фотонов не могла бы быть осуществлена без еще одного устройства компании id Quantique. Счетчик единичных фотонов (Single Photon Detection Module, SPDM) позволяет считать единичные фотоны, пришедшие на фотодетектор, длин волн в диапазоне 1100 — 1600 нм, которые обычно используются в телекоммуникациях (1300 нм и 1550 нм) (В QRNG был использован счетчик фотонов от компании EG&G). Несмотря на кажущуюся простоту обоих изобретений, компании id Quantique их реализовать в железе еще несколько лет назад не представлялось никакой возможности. В то время, когда ведущие производители полупроводников уменьшают уровень детализации на сотые микрона за несколько кварталов, оптики уже добились уровня технологий, когда становится возможным регистрировать отдельные фотоны. Так что новая эра уже наступила, с чем вас и себя, в том числе, поздравляю!




Дополнительно

Нашли ошибку на сайте? Выделите текст и нажмите Shift+Enter

Код для блога бета

Выделите HTML-код в поле, скопируйте его в буфер и вставьте в свой блог.