Что такое квантовая связь и действительно ли будущее за квантами?

Впечатлившись новостью о том, что китайцы уже телепортируют информацию сквозь морскую воду, «Мегабайт» решил, разобраться, действительно ли будущее за квантами? О том, зачем нужна квантовая связь, когда мы сможем телепортироваться и почему запутанные фотоны можно сравнить с носками, рассказывает Владимир Егоров, научный сотрудник лаборатории квантовой информатики Университета ИТМО.

— Что такое квантовая связь?
— Это способ обмена информацией с помощью квантовых объектов. С одной стороны, он похож на традиционные методы: есть отправитель, получатель и сообщение. С другой — отличается тем, что здесь используются носители квантовой информации — чаще всего это фотоны. Ученые применяют подход, основанный на свойствах квантовых частиц, которые не принимают значения только «1» или только «0». Узнать, какое значение приняла частица мы сможем только после ее регистрации и только с определенной вероятностью. Важно то, что на сегодняшний день привычную нам информацию с помощью квантовых линий связи передавать нельзя.

— Зачем изучать квантовую связь, если мы не можем с помощью нее передавать классическую информацию?
— Квантовая связь будет эффективна как минимум в двух областях. Первая область — безопасность. Здесь, как правило, говорят о квантовой криптографии и защите данных. Вторая область — квантовые вычисления — информация, которая передается между квантовыми компьютерами, позволит некоторые выделенные операции производить гораздо быстрее, чем обычные компьютеры, в сотни и тысячи раз.

— Чем квантовая криптография отличается от привычных методов защиты информации?
— Сейчас системы безопасности так или иначе основаны только на математике, то есть на каких-то функциях. Появление квантовых компьютеров вызовет угрозу для некоторых широко распространенных методов шифрования. Поэтому уже сейчас мы готовим ответ на несуществующую, но потенциально опасную проблему потери информации. Особенность квантовой криптографии заключается в том, что, если кто-то вторгается в канал связи, пользователи сразу это обнаруживают. Соответственно, нельзя незаметно осуществлять перехват данных.

— Говоря про квантовые связи и передачу данных, ученые часто упоминают телепортацию. Некоторые издания даже писали, что она в 2030 году, появится в России. Действительно эту технологию можно осуществить?
— Как это ни странно, квантовая телепортация уже появилась в мире. В 2017 году ученые из Научно-технического университета Китая продемонстрировали телепортацию фотона с Земли на спутник на расстояние до 1400 километров, а до них еще в Испании телепортировали фотоны на Канарских островах. Так что, что имели в виду журналисты, говоря, что телепортация появится в России к 2030 году, останется загадкой. В России эти исследования, безусловно, ведутся.

— Когда мы сможем телепортировать живые объекты?
— В ближайшее время телепортировать живые или микроскопические объекты, отличные от квантовых частиц, вряд ли удастся. Хотя вместо того чтобы долго добираться домой, я бы лучше вошел в телепорт на работе и вышел бы дома. Но надо сказать, что квантовые объекты не телепортируются. Атом или фотон не исчезает в одном месте и не появляется в другом. Телепортируется — а лучше сказать переносится — его состояние. Условно говоря, информация с одного квантового объекта переносится на другой, запутанный с первым, объект. Эта технология будет полезна в проведении вычислений, где с помощью квантовой телепортации информация будет передаваться с одного компьютера на другой.

— То есть в ближайшее время телепортироваться не придется. Что такое запутанность объектов?
— Запутанность, по сути дела, свойство, которое означает, что мы не можем рассматривать в отдельности два объекта, связанные между собой. То есть их свойства не равны сумме свойств двух объектов. Они по сути представляют двуединый объект, который описывается одной функцией. Если мы выполняем некую операцию над одним объектом, то это всегда сказывается и на втором. К примеру, до того, как вы надели носок на ногу, у вас они оба и левый, и правый, но как только вы надели левый, второй, где бы он ни лежал, сразу автоматически становится правым.

— В нашем университете, в корпусе на Биржевой линии, существует своя квантовая сеть. Что она дает нам, какие плюсы есть в ее изучении?
— Изначально стояла задача создать квантовую сеть в существующей инфраструктуре. Многие научные работы, показывающие рекордные скорости квантовой связи, до 1 Мбит, имеют место быть только в лабораторных условиях. Любые внешние воздействия на нее исключены. Мы же делаем сеть, на которую не влияет воздействие внешнего мира, будь то изменение температуры земли, где проложен кабель, вибрация от трамваев, скрутка проводов в серверной. Поэтому эксперименты, поставленные на Петербургской квантовой сети, были проведены для демонстрации принципа новой квантовой коммуникации уже действующей не в лаборатории, а в реальных условиях, и имеющей широкие перспективы для реализации в городском пространстве.

— Чем квантовая связь в таком случае полезна пользователям сети, городу и обществу в целом?
— Сами по себе квантовые компьютеры вряд ли появятся в домах рядовых пользователей интернета, но на каждом из нас будет сказываться результат их работы. В первую очередь они необходимы для создания стабильной инфраструктуры. К примеру, возможно существуют математические проблемы, которые относятся к логистике и которые имеют очень комплексный характер. Избавить город от пробок? Классические компьютеры это не посчитают, а в квантовых есть алгоритм, который сможет определить оптимальный путь. Что касается защищенной квантовой связи — это больше удел специалистов по сетевой безопасности, чтобы после начала распространения квантовых компьютеров информация была защищена. В этом плане они подобны воздуху: когда он есть, вы его не замечаете, но, если его не будет, вряд ли вы обрадуетесь.

— Если есть квантовая связь, значит есть и квантовый интернет? Когда он у меня появится?
— Под квантовым интернетом понимается объединение разных систем квантовой коммуникации. Очень часто этот термин используется учеными, что создает путаницу и люди думают, что у них заберут обычный оптический интернет и поставят квантовый. В ближайшем будущем вы вряд ли перейдете на новый вид интернета.

— Но в первый банк с квантовым шифрованием мне уж точно стоит нести все свои деньги?
— Если у вас есть такие деньги, которые стоит нести, то да!

Беседовал Дмитрий БУРЫНИН