Квантовые каналы

(Декабрь 2000)

Квантовые каналы связи – средство для секретных донесений, или путь к пониманию Вселенной?

Этот «сцепленный» мир

1990-е годы стали периодом чрезвычайно быстрого прогресса в области квантовых методов обработки информации и коммуникаций. Теоретически обоснованные и экспериментально подтвержденные идеи открывают для человечества совершенно новые перспективы, поскольку квантовая механика не только демонстрирует абсолютно новые способы работы с битами информации, но и на принципиально иной уровень перемещает понимание того квантового мира, в котором мы живем.

Ныне уже практически ни у кого не вызывает сомнений, что можно практически создавать (хотя бы «примитивные») квантовые компьютеры и особо стойкие криптографические системы, построенные на квантовых эффектах «суперпозиции» и «зацепления». То есть на основе тех фундаментальных свойств природы, которые в нашей привычной жизни пока что представляются чем-то противоестественным и даже просто невозможным.

Квантовое устройство окружающего нас мира — это нечто такое, что физика преподнесла человечеству с некоторым смущением, поскольку квантовые законы явно не соответствуют нашему повседневному опыту. Но квантовая физика не только радикально уводит нас от физики классической, но и предлагает, как стало ясно в последние десятилетия, множество новых возможностей для обработки и передачи информации.

В частности, квантовая теория «нелокальна». Она предсказывает сцепленность (entanglement) между сколь угодно удаленными друг от друга системами. Другими словами, окружающий нас мир устроен весьма причудливо: теоретически, все в этой Вселенной самым теснейшим образом переплетено и зацеплено, однако на практике эффекты рассогласованности (декогеренции) обычно делают невозможным обнаружение этой всеобщей сцепленности.

Тут же следует подчеркнуть, что такой взгляд на мир не только противоречит нашему «бытовому здравому смыслу», но и свидетельствует о чрезвычайно существенных нестыковках собственно в современной науке (хотя об этом физики не очень любят говорить).

Как известно, конечной целью науки считается создание единой теории, которая описывала бы всю Вселенную. Понятное дело, создать такую теорию одним махом весьма трудно, поэтому ученые с давних пор делят задачу на части и строят отдельные теории для избранных областей.

К настоящему времени имеется две основные частные теории для описания Вселенной — общая теория относительности (ОТО) для макромира и квантовая механика для микромира. Но законы квантовой механики не очень хорошо стыкуются со специальной теорией относительности (СТО), являющейся частным случаем ОТО. Согласно базовому постулату СТО, невозможна передача любых взаимодействий и сигналов из одной точки пространства в другую со скоростью, превышающей скорость света. Однако в квантовой теории не зависящие от расстояния мгновенные взаимодействия вполне допустимы

Не только с научной, но и просто с человеческой точки зрения вполне можно понять, что Эйнштейн, заложивший основы общей и специальной теории относительности, не мог принять квантовую механику, коль скоро она не согласовывалась с его собственными идеями.

В 1935 году Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен опубликовали статью, озаглавленную так: «Может ли считаться полным квантово-механическое описание физической реальности?». В этой статье авторы продемонстрировали примечательный факт (впоследствии получивший название «парадокс ЭПР»), согласно которому квантовая механика допускает взаимодействия со сверхсветовой скоростью.

Главным моментом в таких «нелокальных» взаимодействиях является то, что в квантовой механике существуют зацепленные состояния двух или более частиц. Зацепление — весьма тонкий тип взаимосвязи, не имеющий эквивалента в классической физике, и для его описания в самых общих чертах можно сказать, что две системы «сцеплены», когда их совместное состояние является более определенным и менее случайным, чем состояния каждой из систем по отдельности. Манипуляции с одним из представителей сцепленной пары оказывают непосредственный и мгновенный эффект на другого представителя.

В течение нескольких десятилетий с этим малоприятным и достаточно экзотическим фактом просто приходилось мириться, однако с развитием технологий эффект сцепленности стал получать экспериментальные подтверждения. Так что с некоторых пор квантовая сцепленность вызывает особо пристальный интерес и даже можно сказать уважение, поскольку именно этот феномен стал средоточием новых методов квантовой обработки информации.

По ироничному капризу судьбы эффекты сцепленности прочно связали с именами авторов (ЭПР), развивавших на их основе критику квантовой теории. Теперь эти эффекты предоставляют возможности для решения таких задач, которые либо невозможно выполнить в условиях классической физики (например, квантовая криптография), либо требуют существенно больше шагов для своего выполнения в условиях классического компьютера (например, факторизация или разложение чисел на множители).

Конечно, ученым все еще требуется разрешить массу практических вопросов. Насколько надежна квантовая сцепленность? Как долго можно удерживать эффект под контролем? На каких реальных расстояниях? Можно ли действительно эффективно использовать это на практике? Но все же нельзя не подчеркнуть произошедшую «психологическую революцию»: в течение многих десятилетий сцепленность рассматривали в качестве источника квантовых парадоксов, теперь же это рассматривают в качестве реального ресурса для решения задач.

Ныне уже достаточно уверенно говорят, что квантовые методы обработки и передачи информации — это быстро развивающаяся наука, пребывающая на этапе активного поиска эффективных технологических решений. Но пока что в данной области ощущается весьма острый дефицит опыта.

Поэтому как в Европе, так и в Америке, и в Японии все разрозненные работы по квантовой информатике стараются организовывать под единой крышей, будь то Евросовет, Национальный научный фонд США или еще какая влиятельная организация. Всем вполне отчетливо ясно, что существенные и явные продвижения начнутся тогда, когда будет сгенерирована необходимая критическая масса, но для этого к долгосрочным целям необходимо двигаться совместно и согласованно.

На сегодняшний день квантовую криптографию и квантовые коммуникации вообще с экспериментальной точки зрения рассматривают как наиболее продвинутое направление в квантовых методах обработки информации. Благодаря достижениям исследователей-экспериментаторов уже продемонстрировано квантовое распределение криптоключей на расстояния в десятки километров по оптоволокну (с частотами порядка сотен герц), на сотни метров по воздуху, а также надежно подтверждены эффекты «квантовой телепортации».

Дальнейший рассказ будет посвящен нескольким наиболее успешным из научных групп, занимающихся практическими экспериментами в этой области.

Женева: начиналось все как забава

Напомним, что квантовая криптография позволяет двум физически разделенным сторонам генерировать общий случайный секретный ключ, не прибегая к услугам курьера. Кроме того, она позволяет сторонам убедиться, что в процессе генерации ключ не был перехвачен третьей стороной. Если данный механизм используется в условиях криптосхемы «одноразовый шифрблокнот», то сгенерированный ключ позволяет шифровать последующие сообщения так, что их в принципе становится невозможно вскрыть третьей стороне.

В теории первый протокол квантовой генерации ключей был создан в 1984 году Чарльзом Беннетом и Жилем Брассаром (Charles Bennett, Gilles Brassard), за что и получил название BB84. Этот протокол, ставший в квантовой криптографии базовым, еще никак не задействовал сцепленные состояния, а целиком опирался на регистрацию состояний ортогонально поляризованных фотонов.

Первое экспериментальное подтверждение BB84 удалось провести в 1989 году. Однако уже в 1991 году Артур Экерт (Artur Ekert) предложил использовать для генерации ключа сцепленные (или ЭПР-) пары фотонов. Этот протокол получил название E91, а в 1992 году родился и третий базовый протокол — B92 — предложенный Беннетом на основе кодирования фотонов с помощью двух произвольных неортогональных состояний.

Работоспособность всех этих протоколов получила убедительное экспериментальное подтверждение во многих лабораториях мира. Но имеются и более эффектные подтверждения, осуществленные в реальных условиях используемых ныне оптоволоконных телефонных сетей.

Так, в 1995 году швейцарская группа Николя Жизана (Nicolas Gisin) из Университета Женевы продемонстрировала работоспособность квантовой криптографии, с помощью BB84 сгенерировав ключ в двух пунктах, находящихся на разных берегах Женевского озера и соединенных подводным кабелем длиной около 23 километров.

Женевская Группа квантовой оптики начала заниматься экспериментами в этой области в 1993 году. Первый несложный (и успешный) опыт по квантовой криптографии был проведен учеными просто забавы ради. Тогда никто и подумать не мог, что уже к концу десятилетия эта группа приобретет статус одного из мировых лидеров в квантовой информатике.

Благодаря интересу, проявленному индустрией, и ощутимой финансовой поддержке, оказанной компанией Swisscom, в ходе 2-летнего проекта здесь был разработан автоматизированный квантово-криптографический комплекс «plug&play-QC-setup» для квантового распределения ключей с «выдающейся производительностью». Используя такую систему, уже реально можно генерировать криптографические ключи в условиях стандартных телекоммуникационных систем связи, что и было продемонстрировано упомянутым экспериментом 1995 года.

В настоящее время группа принимает участие в общеевропейском проекте EQCSPOT или «Европейская квантовая криптография и однофотонные технологии» (European Quantum Cryptography and Single Photon Technologies), занимающемся разработкой устройства-прототипа для применения квантовой криптографии в реальных условиях. В рамках национальных швейцарских проектов Группой разработаны компактные источники генерации сцепленных фотонных пар.

С помощью такого источника в 1997 году был проведен первый впечатляющий эксперимент с протоколом E91, устроенный между двумя поселками под Женевой, находящимися в южном и северном пригородах на расстоянии свыше 10 километров друг от друга. Ученые наглядно и убедительно продемонстрировали, что фотоны в сцепленных парах, даже будучи разнесенными на столь приличное расстояние, мгновенно изменяют свое состояние, когда в удаленном пункте происходит воздействие на «собрата». В более же общем плане группа занимается также изучением новых приложений для источников сцепленных фотонов в квантовых коммуникациях.

Что представляет собой типичный генератор сцепленных пар? В лабораторных условиях ЭПР-пары создаются путем пропускания высокочастототного фотона через нелинейный кристалл, где тот расщепляется на два низкочастотных фотона. Горизонтально поляризованные фотоны отклоняются в слегка ином направлении, нежели вертикально поляризованные, так что образуются два пересекающихся конуса света. В области пересечения нельзя определить поляризацию фотонов, другими словами здесь они пребывают в сцепленном состоянии. Данная область и является источником ЭПР-пар фотонов.

Сцепленные фотоны имеют максимальную корреляцию в том, что касается их поляризации. Если первый фотон поляризован горизонтально, то второй — вертикально. И, как свидетельствуют теория и эксперимент, эта сцепленность свойств фактически не зависит от физического расстояния между фотонами.

Австрия: телепортация — это реально

1997 год стал важнейшей вехой в квантовых коммуникациях благодаря выдающимся экспериментам со сцепленными фотонами не только в Швейцарии, но и в Австрии, где впервые был проведен эксперимент по квантовой телепортации.

Понятие «телепортация» для обычного уха все еще звучит как чистая фатастика. Пока что лишь в научно-фантастических романах и фильмах человек обладает возможностями перемещать себя и другие объекты в пространстве путем простого исчезновения в одном месте и возникновения в другом, далеко удаленном. В реальной жизни, однако, фундаментальные законы, такие как соотношение неопределенности Гейзенберга, не позволяют измерить объект с абсолютной точностью, чтобы затем эту информацию переслать.

Тем не менее, физика всерьез приступила к решению этой задачи с 1993 года, когда международная группа из шести ученых предложила концептуально новую теорию квантовой телепортации. Чарльз Беннет и его коллеги показали, что имеется все же возможность передавать даже квантовые состояния при условии, что сама передающая сторона не получает никакой информации об этом состоянии. И возможно это благодаря все тому же эффекту квантовой сцепленности.

В схеме, выдвинутой «группой шести», информацию о специфическом свойстве квантовой частицы, такой как фотон, можно было передать по двум каналам — классическому и квантово-механическому. Как следовало из этой теории, в результате подобной передачи происходит исчезновение фотона с данным свойством в «месте отправки» и возникновение фотона с точно тем же свойством в «месте получения».

Первое экспериментальное подтверждение теории квантовой телепортации было проведено в декабре 1997 года австрийской группой Антона Цайлингера (Anton Zeilinger) в университете Инсбрука. Создавая пары сцепленных фотонов с помощью описанного выше процесса параметрического понижения частоты и используя двухфотонную интерферометрию для анализа зацепления, ученые успешно передавали квантовое свойство (в данном случае, состояние поляризации) от одного фотона к другому.

Вскоре после этого независимо от австрийских ученых существование квантовой телепортации экспериментально подтвердила итальянская группа Де Мартини в Риме. А в октябре 1998 года опыты, подтверждающие квантовую телепортацию, были проделаны и американскими физиками в Калтехе.

Впоследствии группа Цайлингера переместилась работать в Университет Вены, так что теперь в Австрии квантовыми коммуникациями плодотворно занимаются сразу два центра, поскольку в Инсбруке продолжает работу Центр квантовой оптики и информатики. Выдающимся успехом венской группы стал недавний успешный эксперимент с шифрованием изображений на основе зацепленных фотонов.

Продемонстрировано, что наработанные технологии уже позволяют ученым с помощью ЭПР-пар генерировать в двух пунктах «одноразовые шифрблокноты» длиной порядка мегабита. При вполне приемлемом уровне ошибок это свидетельствует о возможности подступиться к засекречиванию «ресурсоемкой» графики.

Лос-Аламос: все дальше и выше

Поскольку помехи вносят в хрупкие квантовые каналы такое количество ошибок, которое в принципе может воспрепятствовать какой-либо передаче информации, задача борьбы с шумом рассматривается ныне в качестве одной из самых главных как в квантовой криптографии, так и в телепортации.

Наибольший прогресс в последние годы был достигнут здесь благодаря открытию процедур квантового исправления ошибок. Сразу несколько международных групп продемонстрировали, что передаваемую отдельными фотонами информацию можно надежно восстанавливать даже в присутствии существенного шума в канале.

Один из наиболее впечатляющих рекордов дальности передач был установлен в 1999 году в Лос-Аламосском исследовательском центре США, где методами квантовой криптографии ключи передаются по 48-километровому оптоволоконному кабелю. Это расстояние, уже вполне приемлемое для прокладывания реальных защищенных каналов между, скажем, подразделениями банка или правительственными ведомствами.

Однако 50 км — это тот предел, который на нынешней стадии исследований эффективно преодолеть пока не удается. На более значительных расстояниях индивидуальные фотоны просто поглощаются оптоволоконной средой передачи.

На этапе, когда не решены вопросы «квантового усиления» индивидуальных фотонов, для передачи на многие сотни и тысячи километров идеальным решением могла бы стать пересылка ключей «по воздуху» на спутники связи, обращающиеся вокруг Земли по низким орбитам. Наибольшие успехи на этом направлении также достигнуты в Лос-Аламосе, группой исследователей во главе с Ричардом Хьюзом (Richard Hughes).

В течение последних трех лет этой группе шаг за шагом удается постепенно преодолевать все те многочисленные технические трудности, с которыми сопряжена квантовая криптография в «свободном пространстве». Пока что, согласно опубликованным данным, осуществлены успешные передачи на несколько сот метров по горизонтали, конечная же цель — «дотянуться» индивидуальными фотонами до орбитального спутника на высоте около 300 километров.

В условиях горизонтального моделирования на уровне земли, по расчетам ученых, это эквивалентно каналу длиной примерно 2-3 километра, поскольку здесь плотность воздуха и атмосферные флуктуации максимальны. Поэтому задачу реального квантового обмена ключом со спутником исследователи надеются решить в течение двух-трех лет. И если все пойдет по плану, то еще лет через десять квантовая криптография в спутниковой связи может стать вполне обыденной вещью.

Вразумительных ответов пока нет

Итак, эксперименты с квантовой передачей информации пребывают в настоящее время в весьма зрелой фазе. Справедливо это, в частности, и для коммуникаций на основе квантовых cцепленных состояний. Но весьма характерно, что почти все физики, работающие в данной области, утверждают буквально следующее: какова бы ни была (непостижимая пока) природа связи между cцепленными частицами, ее нельзя использовать для передачи сообщений со скоростями, превышающими скорость света.

Все проведенные опыты лишь подтверждают, что на случайный выбор состояния одной из сцепленных частиц мгновенно реагирует ее сколь угодно удаленный партнер. Но, заверяют эксперты, это совсем не то же самое, что передача информации со сверхсветовой скоростью, т.е. не следует считать, будто здесь подрывается теория относительности.

Тут, правда, экспертам нередко задают вопрос: «Но почему же выражаемые числовыми соотношениями корреляции между двумя частицами нельзя считать информацией?». Весьма характерно отвечает на этот вопрос д-р Джеймс Фрэнсон (James D. Franson) из Университета Джонса Хопкинса, являющийся создателем спаренных интерферометров, повсеместно используемых в опытах по квантовой связи. Фрэнсон говорит так:

«Э-э-это сложный вопрос. И я не думаю, что кто-нибудь смог бы дать вам на него вразумительный ответ. Квантовая теория подтверждена экспериментами, но и теория относительности подтверждена экспериментами, а она запрещает нам посылать сообщения со скоростью, превышающей скорость света. Мне неизвестно, чтобы существовало хоть какое-то интуитивно ясное объяснение того, что это значит.»

Позволим себе немного пофантазировать. Вполне возможно, что такое объяснение все же существует. В недавнем интервью, которое журнал «Компьютерра» брал у Дэвида Дойча, этот известный оксфордский ученый и «отец» концепции квантовых вычислений дал (на аналогии с шахматами) любопытный пример того, как установить, не является ли наш мир «искусственно-сконструированным».

По словам Дойча, наблюдая шахматы и пытаясь объяснить правила игры, вы непременно придете к выводу, что это — искусственное изобретение людей. Главным образом, по наличию «аномальных» ходов, таких как рокировка или взятие пешки на проходе. Однако, подчеркивает Дойч, характер шахматных правил не таков, как характер физических законов. Законы физики, по его мнению, не имеют признаков сконструированности.

Но, быть может, физики не видят «аномальных ходов» лишь потому, что не желают их замечать? И не являются ли ограничения эйнштейновской СТО на пространство-время нашего мира как раз теми самыми «искусственными» аномалиями, не характерными, вообще говоря, для природы Вселенной, состоящей, согласно ряду интерпретаций квантовой теории, из бесконечного множества параллельных миров?

Ведь существуют и другие квантовые эффекты, явно не укладывающися в прокрустово ложе известного нам пространства-времени. Например, еще одна глубокая квантовая загадка, для которой современная физика пока не имеет ответа, — это туннельный эффект, то есть «противоестественная» способность частиц иногда проходить непреодолимые по идее барьеры. Данный эффект, как известно, не только убедительно продемонстрирован, но и является фундаментом для туннельных диодов и прочих подобных устройств, широко используемых в электронных схемах.

Аномальный эффект назвали «туннелированием» (а можно было бы, скажем, и «рокировкой» ), однако назвать — совсем не значит объяснить. Тем более, что объяснить надо вещи крайне странные.

Как свидетельствует д-р Раймонд Чао (Raymond Y. Chiao) из Университета Калифорнии в Беркли, его группа обнаружила, что барьер, помещаемый на пути туннелирующей частицы, не замедляет ее движения. Фактически, по другую сторону барьера детектируются частицы, которым на проход понадобилось времени меньше, чем если бы на их пути вообще не было никаких барьеров.

Другими словами, скорость туннелирования по всей очевидности существенно превышает скорость света. Возможно, здесь таится еще одна величайшая загадка, на которую у физики тоже пока нет вразумительного ответа…

The END