Объединяй и властвуй — как создать из квантовых компьютеров квантовый интернет

(Окончание. Начало см. тут: 1, 2, 3).

Это началось очень, очень давно. В 9 вечера 29 ноября 1969 года на экране новенького компьютера Honeywell DDP-516, находившегося на территории кампуса Стэнфордского университета (Калифорния, США), внезапно высветились две буквы LO. При этом никто из находившихся рядом инженеров не прикасался ни к каким устройствам ввода. Откуда же возникли эти загадочные буквы и что они означали?

Появление первой сети

Информация пришла издалека. За 600 километров от Стэнфорда, в Калифорнийском университете Лос-Анджелеса, оператор точно такого же цифрового компьютера пытался удаленно подключиться к компьютеру в Стэнфорде, вводя последовательно буквы слова LOGIN. Передача первых двух букв по существующим телефонным линиям компании AT&T прошла успешно, но на третьей букве система дала сбой. Часом позже операцию передачи данных по сети удалось довести до успешного конца, что положило начало первой компьютерной сети в истории человечества, ARPANET.

Начав всего с двух терминалов, сеть ARPANET стремительно развивалась и к 1973 году насчитывала уже несколько десятков серверов, находившихся не только на территории США, но и в Европе. Еще десятилетие спустя, параллельно с ARPANET (финансируемой Агентством министерства обороны США по перспективным исследованиям, DARPA) была запущена сеть Национального научного фонда США (National Science Fund, NSF), NSFNet, ставившая целью эффективный обмен информацией между научными институтами и совместный доступ к вычислительным ресурсам (в том числе, суперкомпьютерам). Благодаря новым технологиям сеть NSFNet была существенно быстрее своей предшественницы, а количество подключенных к ней компьютеров росло невероятными темпами. В 1990 году она поглотила морально устаревшую ARPANET, а еще через пару лет стала основой существующей ныне сети Интернет.

Первым человеком, вошедшим в ARPANET с удаленного хоста, стал Чарлз Клайн; на записке видны дата и время / ©Charles S. Kline

Сеть объединяет

Перечислять все достоинства интернета (не говоря уж о его недостатках) не имеет большого смысла: за три десятилетия своего существования эта технология прочно вошла в нашу повседневную жизнь, проникнув практически во все ее сферы. Появление не только самих персональных компьютеров, но и их объединение в глобальную сеть позволило создать совершенно новые области экономики и кардинально изменить работу с информацией. Даже эти строки вы вряд ли бы прочли, не будь у вас доступа в интернет.

Но причем здесь квантовые технологии? Провести поверхностную аналогию несложно — если мы смогли объединить в сеть классические компьютеры, то можно точно так же соединить между собой и квантовые компьютеры. Один кабель сюда, другой туда, — и, вуаля, квантовый интернет готов! Звучит не сложнее, чем настройка нового WiFi-роутера, не правда ли? Дьявол, как обычно, кроется в деталях.

С одной стороны, как мы писали во второй статье нашей серии, еще в 2016 году компания IBM открыла доступ к прототипам своих квантовых компьютеров для всех желающих через интернет. За прошедшие пять лет количество подключенных к сети квантовых компьютеров IBM перевалило за десяток, а география их размещения охватила несколько континентов. Можно ли тогда считать, что квантовый интернет уже создан? Увы, не все так просто.

Карта интернета, сделанная на основе данных 2005 года. Каждая линия — связь между двумя отдельными узлами сети / Matt Britt (CC BY)

Несмотря на то что устройства компании IBM (и ее конкурентов по квантовой гонке) могут передавать данные по сети Интернет, при этом происходит преобразование квантовых битов (кубитов) в классическую информацию — привычные нам нули и единицы. В процессе такого преобразования, к сожалению, теряются квантовые свойства кубитов – суперпозиция и запутанность, которые и давали кубитам преимущество перед битами классическими. Соответственно, проводить таким образом распределенные квантовые вычисления на нескольких, объединенных в сеть, квантовых компьютерах не получится — заданное квантовое состояние будет существовать только внутри каждого из устройств, но не будет распределено между ними.

С другой стороны, если бы мы могли каким-то образом избежать описанного выше преобразования и напрямую передавать по сети сами кубиты, сохраняя их квантовое состояние на пути от одного компьютера до другого, то это позволило бы проводить полномасштабные квантовые вычисления на существующих прототипах квантовых процессоров с десятками кубитов. Ведь, соединив в одну сеть множество таких устройств, постепенно появляющихся в лабораториях по всему миру, мы могли бы достичь суммарной вычислительной мощности (количества надежно работающих кубитов) намного превосходящей каждый отдельный процессор в отдельности и достаточной для решения реальных задач (в том числе, и для исполнения алгоритма Шора).

Исследовательский центр Томаса Дж. Уотсона, IBM Quantum Lab / IBM Research (CC BY-ND)

Конфиденциальный доступ

Еще одно достоинство такой квантовой сети, способной передавать кубиты между своими узлами, это возможность защищенного доступа к ресурсам любого квантового компьютера, находящегося в облаке. Это значит, что, подключившись к квантовому компьютеру по квантовому каналу, можно не только исполнять на нем произвольные квантовые алгоритмы и считывать результаты их выполнения, но и делать все это без раскрытия каких-либо пользовательских данных. Таким образом, квантовый компьютер может производить операции с квантовыми данными, ничего не зная ни про исполняемый им алгоритм, ни про переданные ему данные. Единственное дополнительное требование к такой системе (помимо квантового канала связи) – наличие пользовательского терминала, способного производить однокубитные операции.

Наконец, можно еще больше упростить такую систему, убрав из нее квантовый компьютер и оставив лишь пару квантовых терминалов для генерации и считывания одиночных кубитов, соединенных между собой квантовым каналом. Даже такая упрощенная система квантовой коммуникации обладает одним гигантским преимуществом по сравнению с существующими классическими сетями, и дело тут, опять же, в безопасности передаваемых данных. Как мы рассказывали во второй статье серии, создание квантового компьютера с возможностью запуска алгоритма Шора ставит под угрозу защищенную передачу зашифрованных данных в интернете (причем потенциально не только передаваемых прямо сейчас или в ближайшем будущем, но и в принципе всех, передававшихся когда-либо по Сети). В отличие от классических протоколов шифрования, безопасность данных в квантовой коммуникации обеспечивается не вычислительной сложностью математических операций, но самими фундаментальными свойствами квантовых систем – суперпозицией и запутанностью, поэтому квантовые компьютеры таким сетям не страшны.

Изображение дейтрона, связанного состояния протона (красный) и нейтрона (синий) / Andy Sproles, ORNL (CC BY)

3 сценария использования квантовых сетей

Фотоны – лучшие друзья

Подобная концепция квантово-защищенной передачи данных появилась еще в середине 80-х годов и получила свою первую практическую реализацию в 1989 году, когда в лаборатории компании IBM был создан прототип оптического устройства, передававшего и принимавшего зашифрованные фотоны на расстоянии полуметра. С самого начала было понятно, что именно передача данных с помощью света — наиболее простой способ реализации квантовых сетей. Простота этого метода очевидна, ведь фотоны сами по себе являются квантовыми объектами, а их квантовое состояние можно зашифровать, например, в их поляризации — направлении колебаний электромагнитного поля в световом пучке.

Еще один аргумент в пользу фотонов — существование разветвленной сети каналов связи на основе стеклянного оптоволокна, по которому передается всё больше данных в интернете. Еще не так давно это было промышленной технологией, но теперь оптоволоконные кабели зачастую могут быть протянуты напрямую до роутера в квартире, обеспечивая невиданные прежде скорости передачи данных, вплоть до гигабитов в секунду. Теоретически эти же самые линии связи могут быть использованы и для развертывания квантовых сетей, нужно лишь добавить к источникам и детекторам фотонов возможность кодирования-декодирования их поляризации.

Светодиодная лампа из стекловолокна синего цвета / 4028mdk09 (CC BY-SA)

С использованием оптоволокна в качестве линий квантовой связи возникает лишь одна, но существенная проблема – оптические потери. Несмотря на то что материал оптоволокна (стекло) прозрачен для передаваемого по нему света, микроскопические дефекты и неоднородности, возникающие при его промышленном изготовлении, приводят к рассеянию и поглощению части фотонов при их распространении по волокну. В случае классических сигналов, несущих большое число фотонов в каждом световом пучке, эта проблема вполне решаема. Во-первых, часть фотонов всегда доходит до конечной точки, а во-вторых, классический сигнал всегда можно усилить «по пути», воспользовавшись одним из коммерчески доступных оптических усилителей. Таким образом можно передавать классические сигналы по оптоволокну на расстояние сотен и даже тысяч километров.

Не так просто обстоит дело с квантовыми каналами, по которым мы должны передавать не просто пучки света, а одиночные фотоны. Распространяясь по длинному оптоволокну, примерно половина фотонов теряется каждые 10 километров, поэтому на практике очень сложно установить квантовую коммуникацию по оптоволокну на расстоянии, превышающем 100-200 километров. В пределах одного города это ограничение не является принципиальной проблемой (квантовые защищенные линии связи уже существуют во многих городах мира, в том числе и в Москве), но вот передача квантовых данных по оптоволокну между городами становится проблемой. Кроме того, из-за оптических потерь и шума детекторов одиночных фотонов скорость передачи данных в квантовых сетях зачастую ограничена килобитами в секунду (вместо привычных нам мега- и гигабит в традиционных сетях).

Просто космос

Кажущаяся пропастью разница в скорости передачи данных, на самом деле, не представляет большой проблемы, ведь на текущий момент передачи тысячи килобит в секунду уже достаточно — что для управления квантовым компьютером, что для построения системы защищенной передачи данных. А вот проблему с предельным расстоянием передачи решать необходимо, и на сегодняшний день есть два основных варианта обойти предел в сотню-другую километров. Первый из них достаточно прост и в то же время гениален в своей простоте. Что если вместо стеклянного волокна использовать другую среду передачи с меньшими потерями? Например, разреженный воздух или, еще лучше, вакуум?

©NASA GSFC

Как вы, возможно, уже догадались, речь идет о передаче квантовых сигналов на большие расстояния через спутниковые каналы связи. В такой схеме основные потери фотонов приходятся на первые 5-10 километров распространения в атмосфере, а дальше воздух становится настолько разреженным, что потерями можно практически пренебречь. Получается, что даже несмотря на в несколько раз большие потери в нижних слоях атмосферы, по сравнению с оптоволокном, мы получаем гигантский выигрыш при передаче сигнала на сотни километров. При этом в данном методе практически отсутствует ограничение на дальность передачи квантового сигнала, так как основной путь фотоны проходят в космосе.

Спутниковая модель квантовых коммуникаций особенно активно развивается в последние 15 лет в Китае, где в рамках государственного проекта по квантовым экспериментам в космосе был разработан и запущен первый в мире спутник, предназначенный для квантовой передачи информации. Спутник «Мо-Цзы» был выведен на 500-километровую орбиту в августе 2016 года, а уже летом 2017-го на нем была продемонстрирована передача квантовой информации на расстояние свыше 1200 километров. За последние годы спутниковая квантовая связь была интегрирована в китайскую межгородскую квантовую сеть, объединяющую четыре города на восточном побережье Китая. Таким образом, она соединила населенные пункты, отстоящие друг от друга почти на 5000 километров. Конечная цель проекта — продемонстрировать возможность межконтинентальной квантовой коммуникации.

Не усилителем, так повторителем

Спутники для квантовых экспериментов — это хорошо, но очень-очень дорого (один такой спутник обошелся Китаю в 100 миллионов долларов). Нельзя ли как-то все-таки использовать существующую оптоволоконную инфраструктуру? Можно, если создать так называемые квантовые повторители, периодически расположенные вдоль оптоволоконных кабелей. Чем они отличаются от существующих оптических усилителей и почему до сих пор не используются повсеместно? В отличие от классического сигнала, «усилить» отдельный фотон, несущий квантовую информацию, так просто не получится. Точнее, это вообще никак не получится — из-за фундаментального ограничения, называемого «теоремой о запрете клонирования (no-cloning theorem)». Cуть его в том, что никакое устройство или метод не может создать идеальную копию неизвестного квантового состояния (например, поляризации отдельного фотона), а значит, и «компенсировать» потерю квантовой информации, передаваемой по оптоволокну, тоже не получится.

IQOQI / Harald Ritsch

Именно для решения этой проблемы в 1998 году была предложена гениальная идея квантовых повторителей, основанная на опубликованном за несколько лет до этого методе квантовой телепортации. В отличие от широко распространенного в научной фантастике термина, подлинная квантовая телепортация, увы, не может мгновенно перемещать физические объекты. Зато, используя квантовую запутанность (entanglement), с ее помощью можно мгновенно переносить произвольное квантовое состояние с одной частицы на другую, причем находящуюся на произвольном удалении от первой. Первая экспериментальная демонстрация квантовой телепортации состояния фотонов была проведена в конце 1990-х группой австрийских физиков в Инсбруке, а с начала 2000-х этот метод стал повсеместно использоваться для целей квантовой коммуникации.

Концепция и реализация эксперимента по телепортации квантового состояния фотона / ©Nature

Упрощенная схема протокола квантовой телепортации заключается в следующем. Пара запутанных фотонов, сгенерированных нелинейным кристаллом под действием лазерного импульса, разделяется между собой и отправляется по двум оптическим каналам связи в точку А и Б, соответственно. В точке А уже приготовлен в заданном квантовом состоянии (поляризации) другой фотон, состояние которого мы и хотим передать в точку Б. Для этого мы запутываем с прилетевшим от источника фотоном фотон из точки А (выполняем так называемое измерение Белла), при этом второй запутанный фотон из пары, прилетевший в точку Б, мгновенно оказывается в состоянии фотона из точки А, в полном соответствии с правилами квантовой механики.

Расширив такую систему до нескольких источников запутанных фотонов, мы получим возможность передавать состояние фотона из точки А в точку Б, расположенных на произвольном расстоянии друг от друга, через цепочку таких квантовых повторителей, расставленных через каждые 100 километров оптоволоконного кабеля и обменивающих запутанные состояния своих фотонов друг с другом. Чуть проще понять этот процесс «обмена запутанностью» (entanglement swapping), представив его себе наглядно — например, как на картинке ниже.

©IEEE

Но для создания полноценных квантовых повторителей по описанной выше схеме не хватает так называемой «квантовой памяти», способной хранить один из запутанных фотонов до тех пор, пока все узлы сети не будут готовы совершить «обмен» полученными запутанными фотонами, а затем, по команде, снова посылать сохраненные фотоны по квантовому каналу. Варианты создания такой памяти исследовались с начала 2000-х — были предложены реализации на легированных кристаллах, точечных дефектах, атомах и ионах в ловушках, а также отдельных молекулах, и к настоящему моменту многие из них успешно работают в лабораторных условиях. Учитывая огромный потенциал этих технологий и активные инвестиции в их разработку, первые коммерческие образцы квантовой памяти и квантовых повторителей выйдут на рынок в течение ближайших нескольких лет.

Как подключать будем?

Отдельного обсуждения заслуживает и интерфейс, посредством которого можно будет подключать устройства к квантовой сети (например, квантовые компьютеры). Для технологических платформ, где контроль над кубитами осуществляется с помощью лазерных импульсов (атомы или ионы в ловушках, интегрированная фотоника, точечные твердотельные дефекты), взаимодействие с фотонами, передаваемыми по оптоволокну, на первый взгляд может не представлять особой проблемы: нужно только подобрать правильную длину волны (частоту используемого света). В реальности большинство квантовых каналов работают в так называемом телекоммуникационном диапазоне инфракрасного спектра (длина волны ~1500 нанометров), в то время как длины волн, используемых для управления кубитами различных типов, разнятся от ультрафиолета до ближнего инфракрасного излучения. Преобразование сигналов между этими длинами волн потребует разработки дополнительных оптических устройств.

Реализация квантовой связи в лаборатории Андреаса Вальраффа. Трубка в центре содержит сильно охлаждаемый волновод, который соединяет два квантовых чипа в их криостатах посредством микроволновых фотонов / ETH Zürich / Heidi Hostettler

Еще интереснее выглядит задача подключения к сети квантовых процессоров на сверхпроводящих кубитах. Большинство из этих систем управляется не оптическими, а микроволновыми импульсами (с частотой порядка гигагерц, что соответствует длине волны в несколько сантиметров). Преобразование сигналов из гигагерцевого диапазона сверхпроводящих кубитов в сотни терагерц телекоммуникационых фотонов требует новых гибридных систем – трансдьюсеров, связывающих вместе несколько мод возбуждения. Например, можно с помощью переменного электрического сигнала в гигагерцевом диапазоне модулировать колебания проводящего микрозеркала, отражающего фотоны инфракрасного света. В свою очередь, падающие на такое зеркало фотоны могут возбуждать и отдельные кванты колебаний (фононы), модулирующие гигагерцовый электрический сигнал. Еще один подход — использование электро-оптических модуляторов на нелинейных кристаллах.

Наконец, находящиеся в непосредственной близости отдельные квантовые компьютеры на сверхпроводящих кубитах, находящиеся каждый в своем криостате, можно соединить и микроволновым волноводом, передавая квантовое состояние из одного криостата в другой. Протянуть такой волновод на сотни километров будет довольно сложно, но связать таким образом квантовые процессоры в рамках одной лаборатории вполне возможно. К примеру, первая успешная демонстрация такой системы на практике была проведена в 2020 году в лабораториях Высшей технической школы Цюриха (ETHZ).

А что в России?

Россия не отстает от мировых лидеров в области квантовых коммуникаций и в последнее время стремительно наращивает внедрение отечественных разработок. Так, в 2016 году в Москве была запущена первая квантовая защищенная линия связи, соединившая два здания Газпромбанка, расположенные на расстоянии 30 км друг от друга. Уникальное оборудование для этой линии было разработано спин-оффом Российского квантового центра, компанией QRate. Еще одну квантовую линию связи эта же компания запустила в 2020 году, соединив два дата-центра госкорпорации «Росатом». А летом 2021 года между Санкт-Петербургом и Москвой была запущена уже первая междугородняя квантово-защищенная линия связи, общей протяженностью более 700 километров.

Российский квантовый центр / QRate – Quantum solutions

Вот что ответил Naked Science на вопрос о перспективах отрасли Павел Воробьев, исполнительный директор компании — разработчика оборудования на основе квантовой криптографии QRate:

— В настоящий момент в России утверждены две «дорожных карты» — по квантовым вычислениям и квантовым коммуникациям. «Дорожная карта» по квантовым коммуникациям ставит своей целью создание отечественной инфраструктуры для квантовой защищенной передачи данных (первый участок квантовой сети уже построен между Москвой и Санкт-Петербургом в апреле 2021 года). Вообще в области квантовых коммуникаций в России работают как минимум три сильные команды: компания QRate, зародившаяся в лабораториях Российского квантового центра, специалисты из МГУ, сотрудничающие с корпорацией «Инфотекс», и команда питерского ИТМО, работающая вместе с самарской компанией «Смартс Кванттелеком .

Для любой системы квантового распределения ключей основные характеристики — безопасность и скорость генерации секретного ключа, и здесь QRate соответствует мировому уровню. То есть на расстоянии 50 километров мы вполне можем генерировать больше 10 килобит ключа, на расстоянии 100 километров — более 1 килобита ключа, в то время как наши российские конкуренты — в десятки раз меньше. Построенная на 700 километров сеть между Питером и Москвой состоит из отрезков, проложенных между промежуточными доверенными узлами, поэтому скорость всей сети определяется самым «медленным» участком. По такой же схеме работает и самая протяженная в мире китайская квантовая сеть. 

Российский квантовый центр / QRate – Quantum solutions

Помимо инфраструктурных проектов РЖД, в России уже запущены две некоммерческие квантовые сети. Одна из них — созданная нами сеть с открытым доступом, состоящая из пяти узлов, — объединяет два вуза — МИСиС и МТУСИ. Вторая вузовская сеть МГУ построена на оборудовании компании «Инфотекс». Также, насколько я знаю, «Смартс Кванттелеком» реализовал квантовую защищенную сеть в Самарской области. Согласно «дорожной карте», к 2024 году в России будет построено не менее 7000 километров квантовых сетей, объединяющих Москву, Нижний Новгород, Казань и другие города РФ. 

Их планируют создать с использованием существующей технологии, требующей наличия доверенных узлов каждые 100 километров. Однако мы работаем над увеличением предельного расстояния в два-три раза и скорости генерации секретного ключа, вплоть до мегабит в секунду. 

Другое перспективное направление — передача ключа через открытое пространство: в такой большой стране, как Россия, невозможно проложить оптоволокно везде. Здесь немалые успехи уже достигнуты компанией QSpace. Мы также активно взаимодействуем с китайскими коллегами и одни из немногих в мире имеем доступ к их квантовому спутнику, сигнал с которого смогли получить. Также ведутся работы по созданию полноценного квантового интернета, например, в МИСиС в рамках программы «Приоритет-2030». 

Вообще, мы очень положительно оцениваем развитие квантовых сетей в России. Это касается не только фундаментальных исследований и связанных с «дорожной картой» инфраструктурных проектов. Большой интерес к технологии безопасной передачи данных начинает проявлять коммерческий сектор, в том числе, банки. Кроме того, интерес есть и у образовательных организаций, которые выразили желание в следующем году подключиться к нашей открытой квантовой сети.  

Российский квантовый центр / QRate – Quantum solutions

Вместо послесловия

Стремительный прогресс последних лет (и даже последних месяцев) в области квантовых технологий очень впечатляет. Появляются все новые смелые эксперименты и устройства, о которых даже мечтать не могли основатели квантовой механики! Квантовые процессоры на десятках кубитов успешно функционируют в лабораториях по всему миру, а квантовые коммуникации покрывают все большие территории. Радует и всё возрастающий интерес к квантовым технологиям со стороны инвесторов, крупных технологических компаний, а также широкой публики, старающейся уследить за потоком новостей с «квантовыми» заголовками. Мы надеемся, что серия статей этого спецпроекта поможет всем желающим начать чуть лучше ориентироваться в теме квантовых технологий и с еще большим энтузиазмом следить за развитием этой области в России и в мире.