Квантовая память и безопасный интернет

На конференции "Рубежи нелинейной физики-2019" нам удалось побеседовать с руководителем Казанского физико-технического института им. Е.К. Завойского Федерального исследовательского центра «Казанский научный центр РАН», профессором РАН Калачевым Алексеем Алексеевичем. Несколько лет российские и зарубежные ученые трудятся над созданием памяти для квантового компьютера, который сможет справляться со сложными для обычного компьютера задачами. Что такое квантовая память? Каким будет первый квантовый компьютер, и станет ли интернет безопаснее - наш разговор с Алексеем Алексеевичем.

- Как и для чего квантовые системы, еще до конца неизведанные, стали применяться в оптике?

- В настоящее время тема квантовых оптических технологий находится в центре всеобщего внимания. Речь идет о технологиях, которые в недалеком будущем должны привести к созданию оптических квантовых компьютеров, а также квантовых систем связи на больших расстояниях. Одной из важных задач в этой области является разработка базовых устройств для таких систем, например, однофотонных источников и устройств квантовой памяти.

Некоторое время назад мы тоже начали заниматься развитием квантовых технологий. Сегодня в Казанском физико-техническом институте создаются однофотонные источники на основе нелинейных оптических явлений, а также выполняются исследования, связанные с разработкой оптической квантовой памяти на основе кристаллов с редкоземельными ионами. Многие проекты в этом направлении связаны с оптикой, потому что фотоны являются идеальными носителями для передачи квантовой информации. Уже сегодня существуют квантовые системы связи, работающие на расстояниях порядка 100 км. Но чтобы реализовать квантовую связь между удалёнными абонентами и создать, в конечном счете, квантовый интернет, нужно еще многое сделать. В частности, необходимо разработать устройства квантовой памяти, которые смогут эффективно сохранять квантовые состояния света. Это одна из актуальных задач, стоящих перед специалистами, работающими в области квантовых оптических технологий.

Кроме того, сотрудники нашего института сейчас выполняют комплексные исследования в рамках мегагранта Правительства Российской Федерации, направленные на создание квантовых сенсоров на основе центров окраски в алмазе. Ведущим ученым проекта является профессор Филипп Хеммер из США, под руководством которого в КФТИ создана лаборатория «Квантовая оптика в алмазах». Хочу отметить, что эти работы ведутся совместно с Институтом прикладной физики РАН – организатором настоящей конференции.

- Для многих кванты представляются чем-то неуловимым, что очень трудно зарегистрировать. Как их можно запоминать?

- Если говорить о свете, то квант − это некая минимальная порция энергии, которой может обладать световой импульс. Такие элементарные световые импульсы или, проще говоря, фотоны можно использовать для передачи квантовой информации. Для этого информация кодируется в виде суперпозиции двух однофотонных состояний, например с разными поляризациями, отвечающих значениям 0 и 1. Такая система представляет собой элементарную информационную ячейку, называемую квантовым битом, или сокращенно кубитом.  Но это не самое сложное. Главная задача состоит в том, чтобы информацию, содержащуюся в фотоне, перенести на атомы, которые могут достаточно долго хранить ее без перемещения в пространстве. Затем, эту информацию требуется в нужный момент времени перенести обратно на фотоны. Такой цикл записи и воспроизведения фотонов, если выполнять его с высокой эффективностью, позволяет реализовать протоколы дальнодействующей квантовой связи. Эффективность же квантовой памяти существенно зависит от материала, который используется для хранения информации. В целом, мы должны научиться создавать однофотонные импульсы, которые обладают нужными нам свойствами, отправлять их на большие расстояния, где-то запоминать, воспроизводить и затем детектировать. Над созданием компонент такой системы квантовой связи мы сейчас и работаем.

- Суперкомпьютеры стали для людей уже чем-то привычным, тем, что они могут себе представить. А каким будет квантовый компьютер?

- Его тоже уже можно представить. Вы, наверное, уже слышали о проектах Google или IBM – квантовых компьютерах на основе сверхпроводящих кубитов. Сегодня это направление считается очень перспективным и активно развивается. Я думаю, что в ближайшем будущем мы увидим квантовые процессоры, состоящие из множества таких кубитов, которые будут решать некоторые задачи эффективнее современных суперкомпьютеров.

Наряду с этим, перспективным направлением является разработка оптических квантовых компьютеров. В их основе лежит некая оптическая интегральная схема, или фотонный чип, в которой может распространяться множество фотонов, играющих роль кубитов. В процессе распространения фотонов и выполнения некоторых промежуточных измерений осуществляются вычисления. В прошлом году при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова был создан центр квантовых технологий, представляющий собой большой консорциум, участником которого является и наш Казанский научный центр РАН. В рамках этого консорциума выполняется проект по созданию именно оптического квантового компьютера на фотонных чипах.

- Квантовый компьютер будет меньше, чем  суперкомпьютеры, для которых строятся целые комплексы?

- На самом деле, это не так очевидно. Сейчас не стоит вопрос о масштабах. В принципе первые вычислительные машины на лампах тоже имели огромный размер и занимали целые помещения. Но сегодня они миниатюризированы настолько, что являются частью таких устройств как смартфоны. Я думаю, что в области квантовых компьютеров будет наблюдаться аналогичный процесс. Первые квантовые компьютеры, способные решать практически значимые задачи, наверняка будут представлять собой большие установки, работающие, например, при очень низких температурах. Но со временем появятся новые материалы и новые технологические решения, которые сделают квантовые технологии доступными широкому кругу пользователей.

Другое направление, которое несомненно будет активно развиваться – это сетевые квантовые вычисления, объединяющие множество небольших квантовых компьютеров. Это тесно переплетается с развитием квантового интернета и квантовых систем связи.

- То есть, возможно, в будущем мы будем пользоваться квантовым интернетом? Он будет лучше, быстрее?

- Он будет безопаснее. Считается, что основным преимуществом  квантового интернета и квантовых коммуникаций является наивысшая степень защиты информации. В идеале, система устроена так, что никто не сможет незаметно подключиться к ней и получить доступ к персональным данным пользователя. При этом на первом месте стоит не вопрос скорости, а вопрос безопасности.

Что касается квантовых вычислений, то, безусловно, квантовые компьютеры смогут решать определенные задачи гораздо быстрее и эффективнее, чем современные суперкомпьютеры. Даже если квантовые логические элементы будут работать медленнее классических, вся их совокупность, т.е. квантовый компьютер, будет решать задачу значительно быстрее благодаря законам квантовой механики.

- Изучая все эти технологии, работая над ними, как вы считаете – какое будущее нас ждет?

- Прекрасное, увлекательное будущее.

Сейчас сложно что-то предсказывать, поскольку всё развивается экспоненциально быстро. Если раньше в течение жизни человека технологии почти не менялись, то сейчас мы живем во времена, когда за 10 лет могут появиться устройства, о которых никто и не мечтал. Возможно, совсем скоро будут обнаружены или синтезированы новые материалы, которые позволят совершить прорыв в области квантовых вычислений.

Я с оптимизмом смотрю на весь этот процесс. В любом случае, даже если ученым не удастся создать полноценный квантовый компьютер, в работе над этим масштабным проектом совершается масса интересных открытий, которые влияют и на развитие технологий, и на физику, и на наше мировоззрение в целом.