30 ноября 2014
Z Наука в фокусе Все выпуски

Телепортация: из фантастики в реальность


Время выхода в эфир: 30 ноября 2014, 17:10

Н. Асадова Добрый день. У микрофона Наргиз Асадова и мой постоянный соведущий Егор Быковский, главный редактор журнала «Наука в фокусе». Привет, Егор.

Е. Быковский Привет. Всем добрый день.

Н. Асадова У нас сегодня отличная тема. Звучит она так: «Телепортация из фантастики в реальность». Будем говорить об этом с нашим гостем Русланом Юнусовым, гендиректором Российского квантового центра. Здравствуйте.

Р. Юнусов Добрый день.

Н. Асадова Для начала давайте послушаем последние новости из этой научной сферы.

НОВОСТИ НАУКИ

Е. Конакова Британские учёные утверждают, что к 2080 году телепортация, а также мантии-неведимки станут обычным явлением для человечества. Нет никаких физических законов, которые бы делали невозможным такое явление, как телепортация. По состоянию нынешних технологий можно с уверенностью сказать, что в 2080 году станет возможной телепортация человека, а в 2010 году появится технология путешествия во времени. Тогда люди смогут почувствовать себя героями нынешних фантастических фильмов, — заявили специалисты из Имперского колледжа в Лондоне, занимающиеся инженерией, бизнесом и медициной.

Учёные из Нидерландов и Великобритании продемонстрировали квантовую телепортацию между двумя кубитами, разделёнными расстоянием 3 метра. Краткое сообщение об исследовании доступно на сайте Делфтского технического университета в Нидерландах, а статья учёных опубликована в журнале Science. Учёным удалось передать на расстояние квантовую информацию. В данном случае – квантовое состояние электрона, характеризующегося определённым спиновым состоянием частицы. В эксперименты учёные использовали алмаз, которые охладили до сверхнизких температур. Высокоупорядоченная организация кристалла позволила учёным изучить спиновое состояние единичных электронов и добавить в высокой надёжности передачи информации.

В дальнейшем учёные планируют осуществить квантовую телепортацию на расстояние около 1300 метров. Квантовая телепортация является важным этапом создания квантовых компьютеров и сетей, в которых вместо классических единиц информации битов используются квантовые аналоги – кубиты. Вычислительные аппараты, функционирующие на основе законов квантовой механики, предполагают существенное повышение быстродействия и безопасности выполнения операций.

Н. Асадова Это была наша постоянная рубрика «Новости науки». На этот раз озвучить новости нам помогла Екатерина Конакова. Мы сейчас прервёмся на минутку рекламы, а затем вернёмся в эту студию. Никуда не уходите.

РЕКЛАМА

Н. Асадова Продолжаем передачу «Наука в фокусе». Напоминаю, что в студии Наргиз Асадова и Егор Быковский, и наш гость Руслан Юнусов, гендиректор Российского квантового центра. Говорим мы сегодня про телепортацию. Насколько она вообще возможна. Мы прослушали новости, и нам сообщили, что телепортация человека возможна… даже точную дату назвали – 2080 год.

Е. Быковский По-моему, они погорячились, мне кажется.

Р. Юнусов Тут есть хорошая и плохая новость. Я думаю, плащи-невидимки появятся раньше, чем 2080 год, потому что уже сейчас технологии (они по-английски называются cloaking) по тому, чтобы сделать объект невидимым, существуют. Они сейчас работают только на одной длине волны, например, для зелёного цвета. И небольшие предметы, которые можно поместить, скажем, цилиндр размером со стакан, внутрь него можно поместить объект, и зелёный свет, попадая в этот стакан, сделанный из метаматериала, будет огибать наш объект и выходить с другой стороны, не задевая его. Соответственно, наблюдателю будет казаться, что ничего перед ним нет.

Е. Быковский А почему будет огибать?

Р. Юнусов Это очень интересная тема. Достаточно большая, активно сейчас развивается. Это тема метаматериалов. Материалы, которые не существуют в природе. Они сделаны не из другого вещества, а сделаны из обычных металлов, но, например, нанесены насечки размеров, соизмеримых с длиной волны. И можно управлять светом. Получаются странные вещи, которых в природе не было. Отрицательный показатель преломления, например. И комбинируя такие метаматериалы, можно управлять светом, добиться того, чтобы он огибал, например, что-то.

Н. Асадова Мы обязательно сделаем передачу про метаматериалы. Но сегодня другая тема.

Р. Юнусов Это была хорошая новость. Теперь переходим к плохой. Всё-таки, я думаю к 2080 году телепортировать человека, наверное, не удастся, несмотря на то, что действительно, фундаментальные законы не запрещают, но их реализация настолько далека сейчас от действующих технологий, невообразимо далека, что это очень оптимистично говорить про 2080 год.

Н. Асадова Тогда давайте поговорим про то, что вообще такое телепортация. Предложу начать этот разговор с нашей ещё одной постоянной рубрики «Статья по теме» с Львом Гулько.

СТАТЬЯ ПО ТЕМЕ

Л. Гулько Теория, стоящая за телепортацией, более строго называется «квантовая телепортация». Появилась она из давнего спора между Альбертом Эйнштейном и Нильсом Бором. Эйнштейн заложил основы квантовой теории и был большим её энтузиастом, пока на сцену не вышла случайность. Его взгляды поменялись, когда новое поколение физиков, работающих в этой области, обнаружило, что квантовые частицы управляются вероятностными законами. Он этого терпеть не мог. И писал: теория даёт много, но к таинствам Старика она не подводит нас ближе. Во всяком случае я убеждён, что Он не играет в кости. Поэтому Эйнштейн годами указывал Бору на проблемы с корректностью квантовой физики. Последняя из величайших его атак на квантовую физику – опубликованная в 1935 году статья «Можно ли считать квантовомеханическое описание физической реальности полным?», написанная Эйнштейном в соавторстве с двумя коллегами – Борисом Подольским и Натаном Розаном.

Из статьи следовало, что либо квантовая теория ошибочна, либо она делает возможными невероятные вещи. Речь шла о создании пары квантовых частиц в состоянии, известном как запутанность. Эти частицы могут быть разнесены на противоположные края Вселенной, но изменение, случившееся с одной из них, немедленно отразится на другой. Каким-то образом они могут мгновенно коммуницировать. Эйнштейн думал, что нашел трещину в броне квантовой теории. Но в действительности он обнаружил одну из самых замечательных способностей квантовых частиц. Более того, эксперименты неоднократно показали, что запутывание действительно существует.

Чтобы успешно телепортировать объект, телепортационное устройство должно создать его точную копию вплоть до квантового состояния каждой частицы. Если этого не сделать, переданная версия будет дефектной. Можно передать состояние от одной частицы к другой при условии, что его характеристики нигде в пути не раскрываются. Механизм для этого обеспечивает как раз запутывание. Это идея была представлена на симпозиуме в Монреале в 1993 году. Исследователь из компании IBM Чарлз Беннет (Charles Bennet) предположил, что пара запутанных частиц может обеспечить необходимый скрытый канал связи. Телепортация, по-видимому, скоро станет доступна для квантовых компьютеров. Но сможем ли мы когда-нибудь телепортировать осязаемые физические объекты? Вряд ли это удастся сделать с людьми. Даже передача одной крупной молекулы представляет серьезнейшую проблему. «Если вы интересуетесь телепортацией состояния молекулы ДНК, то у нее так много степеней свободы, так много возможных конфигураций, что трудно вообразить выполнение подобной задачи в сколько-нибудь обозримом будущем».

Н. Асадова Это была статья по теме с Львом Гулько. Напоминаю, что статья у нас как обычно взята из журнала «Наука в фокусе». Ну и продолжаем разговор. Всё-таки телепортация. Давайте ещё раз проговорим, что это такое и вообще откуда появилась эта идея.

Р. Юнусов Идея телепортации основана, как уже упоминалось, на квантовой запутанности. Это очень интересное явление. Наверное, лучше с него начать, а потом перейти к тому, что такое телепортация. Квантовая запутанность – это действительно такое состояние двух частиц, у которых нету отдельного состояния у каждой, но есть общее состояние для двух. И здесь надо ещё, наверное, сделать один комментарий. Если мы говорим о квантовой физике, то весь наш повседневный опыт, в котором мы живём, который мы привыкли ощущать, он пасует. Квантовая физика работает совершенно по-другому. Мы попозже поговорим про квантовые компьютеры, вот, если говорим про классические компьютеры, бит, одна ячейка, может иметь два состояния – 0 или 1. Мы точно знаем, какое она там имеет состояние.

Е. Быковский Мы можем его измерить в любой момент.

Р. Юнусов Да, можем его измерить и измерить несколько раз.

Е. Быковский И оно от этого не изменится.

Р. Юнусов Да. В квантовых системах есть фундаментальное неопределённое состояние. Если мы не померили частицу, она и в нуле, и в единице. Могут с разными вероятностями эти быть состояния. Но она не находится ни в одном из них. Это не просто наше незнание об объекте, это фундаментальная неопределённость.

Н. Асадова Та мартышка из анекдота и умная, и красивая.

Р. Юнусов Она и там, и там. Но когда померяем, узнаем своим измерением, и здесь фундаментальное отличие от классической физики, измерение влияет на результат. Невозможно просто посмотреть тихонечко и оставить частицу, как она была. В квантовой физике это невозможно фундаментально. Так вот, частица, пока её не потрогали, не посмотрели на неё, находится в двух состояниях одновременно: и в нуле, и в единице. Теперь запутанные частицы.

Если хитрым образом создать запутанную пару, то можно сделать так, что, например, если мы говорим про какую-то характеристику, обычно сейчас используют спины или поляризацию, например, фотона, можно так создать пару, что если у одной будет спин вверх, то у другой будет обязательно спин вниз.

Н. Асадова Спин – это кручение.

Р. Юнусов Да, это ось вращения. Ось вращения может быть направлена вверх или вниз. При этом фундаментально каждая из частиц не находится вверх или вниз. Они одновременно находятся вверх и вниз. Но их состояния коррелированны, то есть зависит одно от другого. Теперь мы создали эти частицы, разнесли очень далеко, одну на Марс, другую на Землю. Померили одну частицу, состояние другой в этот момент, прямо одновременно, перестаёт быть неопределённым. Если наша была вверх, то та станет вниз. В этом эффект запутанности.

Вроде бы – вот, отлично, теперь можно передавать информацию со скоростью быстрее, чем скорость света. К сожалению, это не так. Или к счастью. В этом смысле не нарушаются такие законы причинности и так далее. Чтобы передать информацию, мы, к сожалению, не можем померить так состояние частицы, чтобы она стала вверх. На результат измерения мы не можем повлиять. Поэтому мы измеряем на Земле. Мы не знаем заранее, какой результат. Если у нас вверх, только в этот момент мы узнали, что там вниз. Но на Марсе-то не знают в этот момент, какое измерение произошло у нас. Мы можем им передать информацию о том, что у нас вверх. Вот когда дойдёт до них знание о нашем измерении, в этот момент у них возникнет знание о своей частице. Они её могут не трогать, но уже знают.

Здесь можно привести такой похожий пример классический. Представим, есть два бильярдных шара – белый и красный. Мы положили в чёрный ящик и, не смотря, разделили: один отдали одному человеку, а другой – другому. Тот другой улетел тоже на Марс. Никто из них не смотрит, у кого какой шар. Теперь в какой-то момент времени один ящик открываем, видим – белый. Значит, мы в этот момент точно знаем, что на Марсе красный. Но человек на Марсе не знает. Мы ему должны отправить сигнал, который будет идти час. И он когда этот сигнал получит, поймёт, что у него красный. Вроде бы то же самое, но на самом деле нет.

Мы-то знаем, что это классическая система, и шары, даже если мы их не знаем, они всё равно определены. Когда мы их разделили, уже какой-то в какой-то ящик попал красный, в какой-то – белый. В квантовой физике это не так. И в этом фундаментальное различие. Несмотря на то, что они разделены и связаны, они не определены. И в этом был как раз спор, на этом зиждился парадокс Эйнштейна-Подольского-Розана, а потом через несколько десятков лет определёнными математическими методами были выведены неравенства Белла, основываясь на которых можно было сделать эксперимент, который бы разделил либо туда, либо сюда. И, соответственно, эти эксперименты были проведены где-то в 1970-1980-е годы. Один из экспериментов проводил Ален Аспе, который два года назад получил Нобелевскую премию. И эти эксперименты однозначно указали, что состояние действительно не определено, всё-таки Эйнштейн был не прав. Бор оказался прав в своих трактовках. Всё-таки Эйнштейн говорил, что Бог не играет в кости. А Бор говорил в ответ: не надо учить Бога, что ему делать. Состояние не определено фундаментально.

И мы сейчас подходим к тому, чтобы использовать эти интересные вещи в жизни.

Н. Асадова А как их можно использовать, если не получается таких сверхскоростей?

Р. Юнусов Теперь потихоньку мы перейдём к квантовой телепортации. Что это такое? Я уже сказал, что мы не можем посмотреть на состояние частицы, не изменив её. Из этого следует, например, что если мы говорим про спин, вроде такое очень простое состояние, это ось вращения, мы не можем точно померить ось вращения, потому что нас процесс измерения даст нам проекцию. Если мы можем сказать, что в нашей системе отсчёта он будет либо вверх, либо вниз давать результаты. Слово «квантовый» оттуда и взялось, что, изучая микромир, обнаружилось, что некоторые физические величины не могут принимать любые значения. Они квантуются. Квант – это частица. То есть, например, спин может быть +1 или -1. Он не может быть в этом смысле 0,7.

Может быть разная вероятность обнаружения в плюсе и в минусе. Вероятность может быть 0.7, 0.8, а сам факт измерения даст нам либо 0, либо -1, либо +1. И с этой неопределённостью, которая становится определённой, проблема в том, что мы не можем измерить два раза. Чтобы полностью охарактеризовать частицу, нужно померить в одной плоскости, в другой плоскости. У нас есть только один шанс. И за один шанс мы не можем сказать даже, какая была частица до измерения. Мы можем сказать, какова была проекция. Как реализовалась вероятность. И значит у нас проблема. Значит, у нас если есть частица, мы не можем её измерить вообще, получается. А если мы не можем измерить, мы не можем передать о ней полную информацию и не можем…

Н. Асадова Потому что с вероятностью какой-то мы, конечно, передадим эту информацию, но есть и другая вероятность, что мы получим совершенно другое.

Р. Юнусов Даже изучая всего лишь одну частицу, не можем взять и получить полное знание о ней. И тут даже есть такое красивое название: «Теорема о запрете клонирования». Это философски тоже достаточно интересная штука, которая запрещает нам полностью повторить состояние одной частицы через измерение, потому что если бы могли повторить один раз, мы могли бы два-три раза повторить, мы могли бы из одной частицы сделать несколько копий. Это запрещено.

И на этом пути есть положительная вещь, как обходить. Можно попробовать передать состояние частицы, не измеряя его. Если мы не измеряем, мы не нарушаем закон…

Е. Быковский Тогда какой в этом смысл?

Р. Юнусов Если мы хотим телепортировать некий объект, квантовая физика опять же говорим нам некоторые интересные вещи, что два электрона в одинаковом состоянии – это всё равно, что один электрон, совершенно нет никаких отличий. То есть есть набор параметров, которые характеризуют частицы. Если эти параметры одинаковые, это частица та же самая. Она не похожа, а она абсолютно такая же.

Представим, мы захотели перенести электрон из точки А в точку B далеко. Мы могли бы условно измерить точно все состояния, все его параметры, а потом задать точно такие же параметры другому электрону. Так как сами по себе электроны абсолютно одинаковы, значит мы фактически взяли и телепортировали электрон.

Н. Асадова То есть получается, что мы научили другой электрон быть, как первый?

Р. Юнусов Да. К сожалению, теорема о запрете клонирования запрещает нам измерить состояние, а потом сделать такой же электрон. Что можно сделать? А можно сделать перенос состояния этого первого электрона, не измеряя его. Вот здесь как раз и используются запутанные частицы. То есть, например, делается пара фотонов и разносятся из точки А в точку B. Потом заставляют первый фотон провзаимодействовать с нашим электроном, смотрят результат, после этого передают знание об этом измерении. Вот тут как раз скорость света появляется, что мы не можем превысить, потому что знания мы не можем быстрее передать.

Потом в точке B, основываясь на полученном измерении, мы знаем, как надо заставить провзаимодействовать наш фотон с тем электроном и привести тот электрон в такое состояние, в котором был изначально первый электрон. Но когда мы его уже заставили взаимодействовать с фотоном, мы его уже потеряли. То есть его состояние разрушилось. Но когда мы проведём нужные манипуляции в точке B, мы воссоздадим абсолютно тот же электрон. При этом мы не знаем, какое было состояние. Мы просто хитрым образом его перенесли. В этом смысле и появился термин «квантовая телепортация», то есть перенос состояния одной частицы на расстояние и запись его на другую такую же частицу без считывания.

Н. Асадова В связи с этим абсолютно для меня понятно, как же можно перенести человека. Тогда это невозможно. И клонирование запрещено, и человек состоит из невероятного количества всех этих…

Р. Юнусов Да, 10^27 – это очень много.

Н. Асадова И как это возможно.

Р. Юнусов Физика не запрещает. Если мы возьмём, сделаем такое же количество фотонов запутанных, сколько нам нужно на каждую элементарную частицу, из которой мы состоим, разнесём их из точки А в точку B, потом произведём хитрую манипуляцию, когда отдельный фотон, каждый из нашей большой кучи фотонов, запутанных между собой, провзаимодействует с каждой частицей того организма в точке А, тем самым перезапишет состояние. Потом мы передадим результат этого измерения, которое гигантское очень, а потом сделаем хитрую манипуляцию тоже с большой кучей атомов, которые мы уже должны там иметь, вот, из таких же атомов, из которых состоит наше тело здесь, и тогда мы хитрым образом можем воссоздать.

Н. Асадова То есть по сути это будет именно клон?

Р. Юнусов Это не клон. В момент считывания человек А разрушится. Мы как раз и говорим, что процесс взаимодействия разрушает состояние. То есть мы фактически разрушаем человека в точке А, и если мы хорошо всё передали в точку В и хорошо там всё провзаимодействовало, то мы создадим такого же.

Е. Быковский Тут ключевое слово – «если». Я думаю, что иметь на другом конце те же атомы – это как раз самая маленькая из всех проблем. Две основные проблемы – это софтовая, обсчитать 10^27 – это очень много, если триллион операций в секунду, на это уйдет 200 000 лет, долговато. Нужен будет настолько серьёзный прогресс существующих компьютеров, что я не думаю, что к 2080 году…

Н. Асадова Во второй половине передачи поговорим про квантовые компьютеры.

Е. Быковский А, потом цена этого.

Р. Юнусов Я не соглашусь немножко. Наверное, софтовую проблему, может, и можно будет решить, потому что действительно есть подходы квантового компьютера, ещё какие-то вещи, и мы, вообще говоря, по обработке информации, вот, закон Мура пока ещё не кончился, быстро очень развиваемся. А вот как работать с материей, как взять отдельные атомы, очень большое количество атомов, поставить их в нужные точки пространства, зафиксировать, а потом записать – вот с этим гораздо больше проблем сейчас.

И сейчас если мы говорим про квантовую телепортацию, для нас не проблема передать информацию об эксперименте. Гораздо сложнее заставить правильно провзаимодействовать в нужных точках.

Е. Быковский Наверное, самая большая проблема – это энергия. Чтобы передать такое количество атомов, по консервативным оценкам надо 10^12ГВт*ч. Это довольно много. Проблема энергии не решается у нас пока. Точнее, решается, но медленно. То есть на порядки, на много порядков.

Н. Асадова Медленнее, чем действует закон Мура.

Р. Юнусов Мне внутренне всё-таки, опять же, хочется немножко не согласиться по сложности. По энергии мы очень быстро движемся. Посмотрите, что мы научились делать за 100 лет. Мы научились атомную энергию получать. Например, КПД в атомной энергии очень высок по сравнению с химической энергией. Если мы научимся делать контролируемую аннигиляцию, то нам энергии хватит, потому наше тело содержит больше энергии, чем нужно для передачи информации. То есть соизмеримость соблюдается.

Конечно, мы пока это не умеем.

Н. Асадова В общем, делаем вывод, что физические законы не запрещают телепортировать человека, но это точно не 2080 год. А придётся жить немножко дальше и дольше. Тогда, может быть, мы увидим, как телепортируют человека.

Первая часть нашей передачи подошла к концу. Мы сейчас прервёмся на новости и рекламу, затем вернёмся в эту студию. Никуда не уходите.

НОВОСТИ

Н. Асадова Продолжаем передачу «Наука в фокусе». У микрофона по-прежнему Наргиз Асадова и Егор Быковский, главный редактор журнала «Наука в фокусе». И наш гость Руслан Юнусов, гендиректор Российского квантового центра. Говорим сегодня про телепортацию, «Из фантастики в реальность». В первой части говорили про то, когда станет возможна телепортация человека и поостереглись называть какие-то даты.

А в этой части мы поговорим про то, что уже сейчас возможно. Это квантовая криптография. И здесь уже с большей уверенностью делают прогнозы, когда возникнут квантовые компьютеры.

Р. Юнусов Да, две интересные темы, которые так или иначе связаны с квантовой телепортацией, или с квантовой запутанностью. Это квантовые компьютеры и квантовая криптография.

Давайте сначала про будущее, про квантовые компьютеры. Сегодня существует, можно их, наверное, назвать – квантовые калькуляторы, то есть системы, которые работают действительно на другой логике. Здесь важно, опять же, мы уже немножко поговорили, в чём отличие кубита, квантового бита и обычного бита. Обычный бит находится в состоянии 0 или 1, его можно сколько угодно раз считывать, будет то же самое. Квантовый бит находится одновременно и в том, и в другом состоянии, и во всех возможных состояниях между ними.

Соответственно, если мы возьмём несколько квантовых битов и перепутаем между собой, то есть объединим некую взаимодействующую систему, то они будут одновременно находиться во всех возможных состояниях. И тогда если задача какая-то математическая требует параллельных вычислений, например, то эти вычисления можно проводить одновременно над этой системой. Потом надо только очень хитрым образом научиться получать правильный ответ. То есть мы проведём серию каких-то вычислений, и в нашей системе среди множества конечных состояний существует правильное решение. Проблема в том, как это правильное решение найти в хаосе.

Существует на самом деле ряд алгоритмов, которые показывают, как это сделать. Алгоритмы пока не универсальны, могут решать определённые задачи. Например, одна из задач – это так называемая задача факторизации, у которой постановка следующая: надо найти простые множители большого числа. Эта задача интересна чем? Что в одну сторону, умножение двух больших чисел – это простая операция. Школьник на бумажке может посчитать без компьютера.

А вот если учителю показать результат этого умножения и попросить его сказать – а из каких же чисел состоит это большое число? Ему даже компьютер не поможет. В одну сторону легко, в другую сложно.

И этот принцип заложен в основу многих алгоритмов классической криптографии, которыми пользуется сейчас весь мир. Представим, что мы научились делать обратную операцию. Это значит, что мы можем на ходу считывать кучу всякой секретной переписки.

Н. Асадова Там даже посчитано, сколько уйдёт времени у современного компьютера, для того чтобы решить задачу по нахождению вот этих ключей из первоначальных простых чисел. Там сколько-то миллионов лет.

Р. Юнусов Там задача растёт экспоненциально. То есть на единичку увеличивая длину ключа, мы получаем, что необходимо в два раза больше времени и так далее. То есть задача растёт очень быстро.

Н. Асадова Да, время исчисляется, я же сказала, миллионами лет.

Р. Юнусов Может, и миллиардами. Это не проблема.

Е. Быковский В зависимости от длины числа. Если у тебя есть два числа, которые просто перемножить, это очень просто. А если есть восьмизначное число, то у него есть большое количество возможных множителей внутри.

Р. Юнусов Показано, что квантовые компьютеры могут такие задачи решать быстро. Точнее, скажем так, если мы сказали, что наращивать мощность обычных компьютеров надо экспоненциально, то для таких задач мощность квантовых компьютеров надо наращивать линейно. На самом деле не совсем линейно, но просто в два раза больше компьютер взял…

Действительно, это интересная задача, которую можно решать на квантовых компьютерах. И уже показано на квантовых калькуляторах, как я говорил, например, разложение на множители числа 15. Квантовый компьютер сказал, что да, число 15 состоит из 3 и 5. По крайней мере это практически результат.

Н. Асадова Да, потому что, как вы уже сказали, вот это неопределённое состояние частиц, чтобы из этого хаоса вычислить правильный ответ, а как этого вообще добиваются? Я понимаю, что…

Р. Юнусов Это уже не информатика. Это, конечно же, и информатика, только не классическая, но это скорее физика. Это всё равно надо производить очень сложные манипуляции. Сейчас даже непонятно, из чего будут состоять квантовые компьютеры будущего.

Упоминались эксперименты на охлаждённых алмазах. Это один из возможных кандидатов, из чего сделать кубиты и из чего сделать квантовые компьютеры.

Н. Асадова Графен.

Р. Юнусов На графене я пока не знаю реализаций. Есть, например, сейчас одна из самых продвинутых технологий – это сверхпроводящие квантовые цепи. Это когда много маленьких контуров размером в микрон, они не такие уж и маленькие, помещают жидкий гелий, заставляют тоже взаимодействовать между собой, и ток, который циркулирует без потерь в этих контурах, он тоже обладает уже квантовыми свойствами, тогда, соответственно, можно объединять такие системы как компьютеры и попытаться что-то вычислять. Результаты есть.

Есть всем известная в узких кругах компания DeWave, которая уже продаёт некие «квантовые компьютеры». Сообщество спорит, квантовый он или не квантовый. Но какие-то задачи он уже умеет решать.

Е. Быковский А всё-таки можно попробовать на простой картинке слушателям объяснить: вот, есть хаотичный массив неправильных решений, среди них одно правильное. Какое правильное, мы не знаем, потому что если б мы знали, какое правильное, мы бы не считали. Как его вычленить оттуда?

Р. Юнусов Во-первых, решение должно появиться в результате неких операций. Эти операции – это скорее физические, различные интерференции… Это довольно-таки сложная штука. Я прямо скажу, что я не специалист в деталях того, как эти эксперименты проводятся. Там надо заниматься конкретной областью и так далее.

Но суть в том, что если ответить на обывательском, простом уровне, вот, если мы хотим найти в массиве чисел максимальное число, классические алгоритмы существуют, их несколько, но они подразумевают, как минимум, попарное сравнение, несколько итераций прохождения.

Квантовый компьютер просто мог бы посмотреть, отсечь один уровень, остались только большие, отсечь, остались побольше. То есть немножко другим способом решение задачи.

И здесь когда квантовый компьютер пытается получить правильное решение, он с помощью интерференции усиливает более правильные решения, оставляет неправильные. Потом на выходе можно получить близкое к правильному решению. Проводя операцию несколько раз, мы получаем уже правильное решение.

Н. Асадова Вы говорили, что существуют «квантовые» компьютеры. А ради чего стоит их сейчас покупать? Что они умеют делать быстрее, лучше, чем те, которые у нас…

Р. Юнусов Их покупают скорее в исследовательских целях. Тот же DeWave строит системы, которые состоят из порядка 1000 кубит. Но они не совсем все между собой связаны. Они связаны кластерами небольшими. Если бы эта система из тысячи кубитов уже работала в правильном режиме, такой компьютер уже бы решал кучу задач лучше, чем сегодня суперкомпьютеры. То есть мы с квантовыми компьютерами уже не так далеко от цели находимся. То есть вполне возможно, что уже через 10 лет…

Е. Быковский Насколько далеко?

Р. Юнусов Возможно, через 10 лет будут уже результаты, превосходящие в определённых задачах текущие суперкомпьютеры. Но квантовый компьютер никогда не заменит классический, потому что если операция последовательная, то квантовый компьютер её лучше не сделает, потому что классические полупроводниковые технологии позволяют достаточно быстро всё делать. Они не позволяют делать одновременно много операций.

Н. Асадова То есть это компьютеры для задач другого типа, получается.

Р. Юнусов То есть на самом деле существуют разного типа задачи. Какие-то из них классические компьютеры будут всегда быстрее решать, какие-то – квантовые быстрее.

Е. Быковский К тому же, судя по тому, что вы говорите, их просто несколько дороже содержать. Я имею в виду…

Р. Юнусов Сегодняшние технологии – да. Если говорить про сверхпроводимость, то там жидкий гелий. Конечно, всё это дорого. Но сейчас вопрос даже не в цене, а вопрос в том, чтобы получить какие-нибудь результаты, которые будут превосходить существующие технологии. После этого будет взрыв уже технологический, удешевление и так далее.

Н. Асадова Ещё я знаю, что нанотрубки используют как один из претендентов на то, чтобы стать…

Р. Юнусов Действительно, претендентов на то, чтобы стать кубитом, достаточно много.

Н. Асадова Чёрный фосфор.

Р. Юнусов Пока в лидерах, наверное, это то, что я сказал – квантовые цепи. И, возможно, наноалмазы, точнее, NV-центры в алмазах, то есть вот эти небольшие примеси азота, которые получаются… Атом азота становится изолированным в кристалле алмаза, так как алмаз очень инертный, на самом деле очень хороший материал. Системы, выстроенные либо на алмазах, либо на сверхпроводимых цепях, пока в лидерах. Там есть системы на одиночных атомах в оптических ловушках, которые очень сложно реализованы, работают на порядка десятка частиц. Мы не знаем точно, кто победит в конце этой гонки. Похоже, что победитель будет, похоже, что результаты, в отличие от телепортации человека, здесь результаты всё-таки ожидаемы в течение порядка 10 лет.

Н. Асадова Я напоминаю, что мы сегодня в передаче «Наука в фокусе» говорим про телепортацию: «Из фантастики в реальность». Наш гость – Руслан Юнусов, гендиректор Российского квантового центра. Сейчас мы прервёмся на две минуты саморекламы, затем вернёмся в эту студию. Никуда не уходите.

РЕКЛАМА

Н. Асадова «Телепортация: из фантастики в реальность» — это тема нашей сегодняшней передачи. И я, Наргиз Асадова и мой соведущий Егор Быковский говорим сегодня с Русланом Юнусовым, гендиректором Российского квантового центра, о разных аспектах этой интересной темы.

Е. Быковский Мы пришли к выводу, что телепортация человека всё-таки от реальности пока очень далека.

Н. Асадова Да, ¬зато есть элементы телепортации в квантовых компьютерах, которые, возможно, через 10 лет будут у нас на рынке. И мы сейчас хотели поговорить про квантовую криптографию.

Р. Юнусов Да, это очень интересная тема. Мы потихоньку идём от невозможно далекого будущего к настоящему. Квантовая криптография – это красивые слова, за которыми кроется следующая вещь: это абсолютно безопасный способ передачи информации. Безопасность гарантирована фундаментальными законами физики. Мы уже немножко поговорили о том, что нельзя измерить состояние частицы, а потом передать это состояние полностью дальше, считать, клонировать. То есть теорема о запрете клонирования. Так вот, теперь представим, если мы попробуем передавать информацию отдельными фотонами, например, по одной штучке, то если между точкой А и точкой B находится какой-то шпион, Eve, как его называют в литературе, то если он пробует считать, то он не сможет отправить то же самое. Он с какой-то вероятностью отправит то, а с другой вероятностью – не то. И на этом построена система квантовой криптографии.

Соответственно, если включается подслушиватель, то количество вырастает до определённого уровня, и мы точно-точно знаем, что там что-то не в порядке. Такие системы уже реализованы, они работают, их даже можно купить. Например, швейцарская компания D Quantic такие системы поставляет.

Есть два интересных примера использования таких систем. На Чемпионате Мира в ЮАР некие данные передавались с помощью квантовых криптографов. И выборы в Швейцарии, не помню, в каком год, тоже несколько лет назад, тоже проводились через квантовые каналы.

Н. Асадова Выборы – это хорошо: проголосовали за одного…

Р. Юнусов Если уровень ошибок не высок, мы передаём абсолютно всё точно.

Е. Быковский Это шифрование просто любого потока цифровых данных – голоса, всё, что угодно.

Р. Юнусов Фактически мы передаём отдельные биты, классическую информацию цифровую. Только мы имеем гарантию, что пока мы передавали, её никто не считал.

И здесь, в отличие от обычного шифрования, где безопасность гарантируется на сегодня сложностью обработки информации, то здесь безопасность гарантируется не сложностью процесса, а фундаментальной невозможностью клонирования.

Есть алгоритмы квантовой криптографии, Артур Эккерт предложил как раз один из таких алгоритмов, которые основаны совсем на квантовой запутанности. Но физическая реализация достаточно сложна таких алгоритмов. И действующие системы без ущерба для безопасности работают немножко по другим принципам, они работают по принципам передачи поляризации, фазы фотонов. Всё то же самое, всё гарантировано, потому что передаются отдельные фотоны.

К сожалению, недостаток сегодняшней технологии квантовой криптографии в том, что в промышленных параметрах системы могут работать только до 100 км длиной.

Поскольку информация передаётся по обычному оптическому волокну, имеем поглощение в волокне.

Е. Быковский Нельзя поставить какой-нибудь репитер?

Р. Юнусов Сейчас мы подойдём к репитерам. Мы уже сказали, что клонировать нельзя. И поэтому классический репитер поставить невозможно. Нужно поставить какую-то такую штучку, которая передаст информацию, не считывая эту информацию. Здесь мы как раз приходим к запутанности и к телепортации. И сейчас действительно в мире работает много научных групп над созданием квантового репитера. Квантовый репитер полностью использует технологию квантовой телепортации и квантовой запутанности.

Какие-то свойства этих репитеров уже созданы на разных объектах. Осталось, условно, три параметра собрать в одном объекте, и тогда его можно производить промышленно. Когда это будет точно, неизвестно. Возможно, 3-5 лет. Но это не какой-то бесконечно далёкий горизонт.

Имея квантовые репитеры репитеры, мы сможем ставить системы на тысячи километров. И тогда, наверное, они придут уже не в качестве забавных примеров или ограниченного использования, а уже к повседневному использованию.

Н. Асадова Какие отрасли в экономике, кто заинтересован больше всего в появлении такого рода…

Р. Юнусов Две большие области – это секретная информация, военная и государственная.

Н. Асадова Военные в основном и развивают эти технологии, насколько я понимаю.

Р. Юнусов Есть закрытые разработки в США, наверное, они под военными ведутся.

Н. Асадова Самые большие бюджеты там, насколько я понимаю.

Р. Юнусов Другие области – это финансовые области. То есть понятно, что банки передают очень много информации, для которых критически важно, чтобы их не перехватывали. Очень важная вещь.

Е. Быковский И скорость часто очень критична. Сегодня скорость не столько для банков, сколько для всяких биржевых дел.

Р. Юнусов Сегодня второе ограничение квантовой криптографии – маленькая скорость передачи. Поэтому реальные системы квантовой криптографии, которые используются – они гибридные. То есть мы длинный ключ, который потом используем в классическом шифровании, передаём по квантовому каналу, его можно повторять каждые тридцать минут, менять ключи полностью, например. Можно чаще. А дальше основной поток, весь трафик, передаётся по классическому каналу. Но ключ у него обновляется по квантовому. То есть эта штука гораздо более защищённая, чем просто классические шифраторы, а работает с такой же скоростью – гигабиты в секунду, например. Сам квантовый канал…

Н. Асадова А безопасность использования всяких кредитных банковских карт тоже… в этой части банковской безопасности это тоже может работать?

Р. Юнусов Конечно. Если бы передача от пользователя к банку или к платёжной системе проходила по квантовому каналу, то это было бы абсолютно безопасно, не перехватываемо.

Е. Быковский Наверное, так когда-нибудь и будет, но просто сегодня ещё рановато.

Р. Юнусов До таких вещей, чтобы в обычные компьютеры поставить квантовый криптограф – это действительно рановато. Сегодня это большая коробка, там лазеры, волокно и так далее. Но ничего не мешает сделать это в будущем. То есть здесь понятно, каким образом должны развиваться технологии.

Е. Быковский Мы в начале передачи говорили о том, что представить себе квантовый мир совершенно невозможно, потому что он контринтуитивен. Руслан пришёл на передачу с афишкой.

Н. Асадова Руслан сообщил, что сейчас проходит выставка, она так и называется – «Квантовая запутанность», при поддержке Британского Совета в России. И там как раз художники изображают квантовую запутанность. Вы можете чуть побольше рассказать про это? Мне кажется, нашим любознательным постоянным слушателям будет интересно сходить на эту выставку.

Р. Юнусов То, что невозможно физикам, наверное, возможно творческим людям. Они не знают о существовании ограничений, поэтому могут представить, что угодно.

Н. Асадова На самом деле хороших физиков и хороших художников объединяет одно: бурное воображение.

Р. Юнусов На самом деле и физики, конечно, не такие сухари, как многие пытаются представить. И очень много копий было сломано на тему того, как же всё-таки возможна эта нелокальность, мгновенная передача, то, что не объясняется физиками.

Н. Асадова Невозможность нахождения в каком-нибудь хоть состоянии.

Е. Быковский Меня больше всего изумляет вот это состояние неопределённости.

Р. Юнусов И в какой-то момент, когда уважаемые нобелевские лауреаты между собой спорили, приписывается, что Ричард Фейнман сказал такую фразу: «Shut up and calculate», то есть всё, прекращаем спорить, просто садимся и считаем. Потому что по формуле мы получим ожидаемый результат. Неважно, как это объясняется. Важно, что мы можем получить достоверный результат. Потому что, действительно, существуют разные попытки объяснения, которые уводят нас к моделям параллельных вселенных и так далее. И уводят нас в область философии. Это, конечно, неплохо, но надо, наверное, немножко разделять. Если мы хотим научным способом хотим получить прогноз или технологию, или мы хотим понять вещи, которые не описываются, например, формулами.

Здесь, конечно, интересно посмотреть на то, как творческие люди, художники смотрят на мир. Это интересно.

Н. Асадова Выставка началась 21 ноября. Будет два месяца проходить. Это где у нас происходит? Лаборатория «Art&Science Space».

Р. Юнусов Переулок Обуха, в районе метро «Курская».

Н. Асадова Да, я всем очень рекомендую. Я сама пойду.

Е. Быковский Я тоже схожу. Если уж до художников докатилась запутанность, это значит, что квантовые компьютеры скоро войдут в нашу жизнь. А там, глядишь, и человека передадим лет через 500, не раньше. Это мой прогноз.

Н. Асадова Всё-таки не удержался от прогноза Егор Быковский, главный редактор журнала «Наука в фокусе». Наша передача подошла к концу. Я, Наргиз Асадова и Егор Быковский с вами прощаемся и благодарим нашего гостя Руслана Юнусова, гендиректора Российского квантового центра. Спасибо вам большое. Было очень интересно.

Е. Быковский Спасибо.

Р. Юнусов Спасибо.

Е. Быковский Всем удачного воскресного вечера. До свидания.

Н. Асадова До свидания.



Загрузка комментариев...

Самое обсуждаемое

Популярное за неделю

Сегодня в эфире