Аппарат обошелся Китайской академии наук почти в сто миллионов долларов. Спустя два с половиной года и целой серии удачных научных экспериментов ясно, что эти расходы полностью оправдались. Благодаря «Мо-Цзы» китайцы ушли далеко вперед в области квантового шифрования и безопасной передачи данных. Догнать их будет непросто.
Квантовая угроза
Главная угроза последних нескольких лет — мощный квантовый компьютер, способный взломать любую, даже самую надежную систему защиты информации. Над его созданием трудятся государственные и коммерческие структуры по всему миру. Пока существуют два подобных устройства. Первый — 128-кубитный компьютер канадского производства D-wave — работает частично в квантовом режиме и может решать лишь узкий спектр задач — машинное обучение, искусственный интеллект, но с произвольно заданными задачами он пока не справляется.
Второй, 51-кубитный квантовый компьютер создала группа ученых из Гарвардского университета под руководством одного из основателей Российского квантового центра Михаила Лукина. Это устройство считается сегодня одной из самых мощных вычислительных машин такого рода, и предполагается, что в решении задач оно покажет себя лучше, чем классические компьютеры.
«Квантовая информация обрабатывается по другим принципам. Здесь по одному и тому же каналу мы можем континуально передать существенно больше данных, чем в случае с классической информацией. Классический бит принимает всего два значения — ноль и единица, а квантовый (так называемый кубит) принимает значения всех возможных суперпозиций между нулем и единицей. Есть подозрение, что и человеческий мозг в значительной степени работает по этим принципам. Кроме того, квантовая система позволяет справиться с проклятием размерности. Когда мы работаем со сложной вычислительной задачей, ресурсы, необходимые для ее решения, экспоненциально растут вместе с объемом данных. При квантовой системе обработки информации этот рост будет не экспоненциальный, а полиномиальный, то есть существенно меньше. Это значит, что квантовый компьютер справится с задачами, нерешаемыми на обычном устройстве. Поэтому сейчас многие системы переориентируются на квантовую обработку информации. Пока это очень дорого, но все над этим работают. И китайцы, я считаю, продвинулись в этом вопросе чуть дальше остальных», — пояснил ведущий научный сотрудник Института космических исследований РАН, доктор физико-математических наук Михаил Алтайский.
Запутанные фотоны
Главный козырь китайских ученых в мире квантовой информации — спутник «Мо-Цзы», запущенный на орбиту в августе 2016 года. Аппарат оснащен специальным оборудованием для проведения квантовых экспериментов — в том числе источником запутанных фотонов и квантовым излучателем. С их помощью ученые хотели построить квантовую систему связи между спутником и станциями на Земле.
Планировалось, что источник фотонов — кристалл, в котором происходит спонтанное параметрическое рассеяние, — будет порождать пару запутанных частиц одновременно, а квантовый излучатель — распределять их между станциями, которые, замерив состояние полученных частиц, обменяются данными измерений и таким образом сгенерируют одноразовый пароль. Считается, что ни подсмотреть, ни взломать его будет невозможно, даже при помощи мощного квантового компьютера.
Запутанные фотоны — одно из самых удивительных явлений квантового мира. Будучи разделены и находясь на большом расстоянии друг от друга, они продолжают вести себя как единая система. Иными словами, если в какой-то точке планеты измерить состояние одной частицы из пары, то это моментально изменит физическую действительность для второй частицы, где бы она ни находилась. Именно на этом принципе и работает квантовая система связи, выстроенная «Мо-Цзы».
«Передать информацию через спутник при помощи запутанных фотонов — задача крайне сложная. В первую очередь из-за атмосферы. Возникают большие помехи — рассеяние, дополнительные фотоны, ведь там могут быть еще источники света», — уточнил Михаил Алтайский, объясняя важность работы китайских физиков.
В космос и обратно
Уже через год после запуска, когда появились первые результаты экспериментов, стало понятно, что система передачи работает, информация защищена квантовым ключом шифрования, а физический принцип локальности мира, как и предсказывалось, нарушается.
В июле 2017 года китайские ученые сообщили, что с помощью квантового спутника смогли передать запутанные фотоны на рекордно большие расстояния — свыше 1200 километров. Для сравнения: максимальное расстояние, на которое ранее физики пересылали пары частиц на Земле по оптико-волоконному кабелю, — всего 400 километров.
В процессе эксперимента источник запутанных фотонов порождал около шести миллионов пар запутанных частиц в секунду. Затем с помощью двух телескопов фотоны отправляли к наземным обсерваториям, находящимся в Тибете, Урумчи и Юньнане. В результате физики зарегистрировали более тысячи событий, когда обе частицы из пары достигали пунктов назначения.
Обратный способ отправки запутанных фотонов — из наземной обсерватории Нгари в Тибете на «Мо-Цзы» — тоже оказался удачным. Источник фотонов создавал свыше четырех тысяч пар запутанных частиц в секунду. При помощи лазера один фотон из пары отправлялся к спутнику, а второй оставался на Земле. Согласно полученным данным, квантовая запутанность между поверхностью планеты и «Мо-Цзы» сохранялась.
Более того, впоследствии ученые из наземной обсерватории телепортировали поляризацию фотона, успешно отправив на спутник 911 частиц. Точность достигала 80 процентов, а потери составили от 41 до 52 децибел, иными словами, долетал один фотон из ста тысяч. Передача подобного сигнала по оптоволокну заняла бы времени в 20 раз больше, чем время жизни Вселенной.
Квантовый интернет
Тогда ученые, проводящие эксперимент, отмечали, что, несмотря на успешную демонстрацию квантовой запутанности, пока рано говорить о практическом применении этого метода. Однако уже пару месяцев спустя пресс-служба Китайской академии наук сообщила, что физики КНР и Австрии при помощи «Мо-Цзы» провели первую межконтинентальную «телепортацию» частиц и сеанс видеосвязи, защищенный на квантовом уровне — при помощи шифровальных ключей, переданных через спутник.
Для этого китайские ученые совместили спутниковые каналы квантовой связи с уже имеющейся наземной квантовой сетью, соединяющей Пекин, Шанхай и другие китайские города. Аналогичную сеть построили между Веной и городом Грац, где находятся станции космической квантовой связи. Эти сети и «Мо-Цзы» помогли установить видеосвязь между Австрией и Китаем.
А в начале 2018 года квантовый спутник впервые передал реальные данные по каналу, защищенному квантовым шифрованием, связав Грац и китайский город Силун, расстояние между которыми 7,6 тысячи километров. Из Пекина в Вену китайские ученые передали снимки «Мо-Цзы», а их австрийские коллеги отправили обратно фотографию физика Эрвина Шредингера. Как отмечали тогда авторы работы, с помощью спутника удалось сконструировать межконтинентальные квантовые сети, а это открывает дорогу для создания глобального квантового интернета.
«На Земле такие системы используются достаточно давно. Они основаны на том, что нет возможности скопировать информацию квантового сигнала. Если классический бит можно копировать, то квантовый непосредственно не копируется. Нельзя подслушать или прочитать информацию без изменения состояния фотона. В случае спутника «Мо-Цзы» основное достижение — в том, что генерация запутанной пары фотонов и ее передача на большое расстояние впервые проведена с орбиты. А это значительно дешевле, ведь в противном случае на Земле надо ставить ретрансляторы. Плюс — можно передавать информацию на большие расстояния. Китайцы впервые осуществили квантовое распределение ключей шифрования на расстояние больше семи тысяч километров непосредственно через спутник. Это все говорит в пользу того, что в будущем интернет будет квантовым. Мы к этому идем», — уверен Михаил Алтайский.