Изобрести квантовый интернет

Спустя пятьдесят лет после появления современного интернета физик и специалист по информатике Стефани Вехнер планирует и проектирует следующий интернет — квантовый. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Введение

Первые данные, когда-либо переданные по Arpanet, предшественнику интернета, были мгновенно отправлены с компьютера в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе на компьютер в Стэнфордском исследовательском институте в Пало-Альто 29 октября 1969 года.

В тот вечер команда из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе связалась по телефону с командой SRI и начала набирать «LOGIN». «Мы набрали букву L и спросили: „Вы поняли букву L?“ — недавно вспоминал Леонард Кляйнрок, специалист по информатике из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. — „Да“, — ответила команда SRI. Мы набрали букву O и спросили: „Вы поняли букву O?“ — „Да“. Мы набрали букву G и спросили: „Вы поняли букву G?“ — Сбой! Хост SRI вышел из строя. Так появилось первое сообщение, положившее начало революции, которую мы теперь называем интернетом».

Способность сетей передавать данные, а также их склонность к сбоям или непредсказуемому поведению всегда завораживали Стефани Вехнер. «На одном компьютере все происходит плавно и последовательно, — говорит Вехнер, физик и специалист по информатике из Делфтского технологического университета. — В сети же может произойти много неожиданных вещей». Это верно в двух смыслах: программы на подключенных компьютерах мешают друг другу, вызывая неожиданные последствия. И пользователи сетей проявляют изобретательность. Вехнер отметила, что изначально «люди думали, что мы будем использовать интернет для отправки файлов».

Вехнер впервые вышла в интернет примерно в 1992 году, за несколько лет до того, как это стало легко сделать. Будучи в то время подростком в Германии и уже опытным программистом, она вскоре стала хакером в зарождающемся интернете. В 20 лет она устроилась на работу «хорошим» хакером, занимаясь выявлением сетевых уязвимостей по заказу интернет-провайдера. Затем ей наскучил хакерство, и она решила глубже изучить передачу информации и сети.

В настоящее время Вехнер является одним из интеллектуальных лидеров в усилиях по созданию нового типа интернета с нуля. Она работает над проектированием «квантового интернета» — сети, которая будет передавать — вместо классических битов со значениями 0 или 1 — квантовые биты, в которых сосуществуют обе возможности, 0 и 1. Эти «кубиты» могут состоять из фотонов, находящихся в комбинации двух различных поляризаций. Возможность передавать кубиты из одного места в другое по оптоволоконным кабелям, возможно, не преобразит общество так кардинально, как классический интернет, но она снова произведет революцию во многих аспектах науки и культуры, от безопасности до вычислительной техники и астрономии.

Вехнер является координатором Альянса квантового интернета, инициативы Европейского союза по созданию сети для передачи квантовой информации по всему континенту. В статье, опубликованной в журнале Science в октябре прошлого года, она и два соавтора изложили шестиэтапный план реализации квантового интернета, где каждый этап разработки будет поддерживать новые алгоритмы и приложения. Первый этап уже идет полным ходом: создается демонстрационная квантовая сеть, которая соединит четыре города в Нидерландах — своего рода аналог Arpanet. Трейси Нортап, член Альянса квантового интернета из Университета Инсбрука, высоко оценила «широту видения Стефани и ее стремление к созданию крупномасштабных структур, которые позволят воплотить это в жизнь».

Закрывать

Закрывать

Закрывать

После ухода из хакерства Вехнер поступила в университет в Нидерландах, где изучала информатику и физику. Она услышала выступление теоретика квантовой информации Джона Прескилла в Лейдене, где он описывал преимущества квантовых битов для связи. Несколько лет спустя, получив докторскую степень, она оставила классические биты и присоединилась к группе Прескилла в Калифорнийском технологическом институте в качестве постдока.

В Калтехе, помимо доказательства нескольких важных теорем о квантовой информации, квантовой криптографии и природе самой квантовой механики, Вехнер проявила себя как «прирожденный лидер», — сказала Прескилл, — «часто выступая связующим звеном между людьми». В 2014 году, после работы профессором в Сингапуре, она переехала в Делфт, где начала сотрудничать с экспериментаторами, закладывая основы квантового интернета.

Журнал Quanta Magazine беседовал с Вехнером в течение двух дней в августе. Интервью было сокращено и отредактировано для ясности.

Квантовый интернет — это сеть для передачи кубитов между удаленными точками. Зачем нам это нужно?

Идея заключается не в замене существующего сегодня интернета, а в добавлении новых и уникальных функций. В будущем будут открыты самые разные области применения квантовых сетей, но многие из них нам уже известны. Конечно, наиболее известное применение — это защищенная связь: возможность использования квантовой связи для осуществления так называемого квантового распределения ключей, при котором безопасность сохраняется даже при наличии у злоумышленника квантового компьютера. Квантовый компьютер способен взломать множество существующих сегодня протоколов безопасности.

Что делает квантовые ключи настолько безопасными?

Хороший способ понять, на что способен квантовый интернет, — это подумать о «квантовой запутанности», особом свойстве двух квантовых битов, которое делает всё это возможным. Первое свойство запутанности — это «максимальная координация»: у меня есть квантовый бит здесь, а у вас — квантовый бит в Нью-Йорке, и мы используем квантовый интернет для запутывания этих двух кубитов. И тогда, если я произведу измерение на своём кубите здесь, а вы сделаете то же самое измерение в Нью-Йорке, мы всегда получим один и тот же результат, даже если результат не был определён заранее. Таким образом, интуитивно понятно, что квантовый интернет очень хорошо подходит для задач, требующих координации, благодаря этому первому свойству квантовой запутанности.

Учитывая максимальную координацию, можно сказать: «А разве не было бы здорово, если бы этой запутанностью могли поделиться сотни людей?» Но на самом деле это невозможно. Поэтому второе свойство запутанности заключается в её внутренней конфиденциальности. Если мой кубит здесь запутан с вашим кубитом в Нью-Йорке, то мы знаем, что ничто другое не может иметь никакой доли в этой запутанности. И именно поэтому квантовая коммуникация так хорошо подходит для задач, требующих безопасности.

Квантовое распределение ключей, как одно из простейших применений квантовой связи, может стать доступным уже в начале 2020-х годов в демонстрационной сети, которую вы строите. Какие еще более продвинутые приложения станут возможными в будущем?

Станут возможны новые виды удалённых вычислений. Допустим, у вас есть запатентованный материал, и вы хотите протестировать его свойства в симуляции. Квантовый компьютер обещает справиться с этим гораздо лучше, чем классический компьютер. Но вы можете представить, что не у каждого человека в мире в ближайшее время будет большой квантовый компьютер в гостиной — возможно, не при нашей жизни. Один из способов сделать это — вы отправляете мне свой материал, я запускаю для вас симуляцию на своём квантовом компьютере и сообщаю вам результат. Это здорово, но теперь я также знаю ваш запатентованный материал. Таким образом, квантовая сеть позволяет использовать очень простое квантовое устройство — фактически, оно может создавать только один кубит за раз — и квантовая сеть может передавать кубиты с вашего устройства на мой мощный квантовый компьютер. И вы можете использовать этот квантовый компьютер таким образом, чтобы он не мог узнать, какой у вас материал, во время выполнения вычислений.

Нажимая кнопку просмотра этого видео, вы соглашаетесь с нашей политикой конфиденциальности.

В качестве другого примера можно привести данные, демонстрирующие, что квантовая запутанность позволяет более точно синхронизировать часы между двумя точками, что найдет множество применений. Квантовый интернет также можно использовать для создания более совершенного телескопа, по сути, путем объединения удаленных телескопов. Состояние световых частиц, поступающих в телескоп 1, телепортируется с помощью квантовой запутанности в телескоп 2, а затем объединяется со светом телескопа 2.

Вы также работаете над моделированием будущего квантового интернета. Зачем это нужно?

Благодаря этой обширной платформе для моделирования, которую мы недавно создали и которая сейчас работает на суперкомпьютере, мы можем исследовать различные конфигурации квантовых сетей и получить представление о свойствах, которые очень сложно предсказать аналитически. Таким образом, мы надеемся найти масштабируемую конструкцию, которая позволит осуществлять квантовую связь по всей Европе.

Непредсказуемость сетей всегда меня завораживала. Компьютеры интересны, но меня больше всего волнует передача данных из одной точки в другую. Именно поэтому я занялся хакингом и заинтересовался классическим интернетом и получением к нему доступа. В принципе, очень сложно понять, что происходит в сети, потому что существует множество неучтенных факторов. Например, если вы хотите отправить сообщение, вы не можете точно предсказать, сколько времени это займет. Сообщение может быть потеряно. Компьютер может дать сбой. Он может работать слишком медленно; он может повредить данные. Протокол может измениться неожиданным образом, потому что это старая или новая версия, или вредоносная версия.

Вы были плохим хакером, прежде чем стали хорошим?

Такого не скажешь в интервью! Думаю, тогда мир был лучше. Но я ни в чём не признаюсь. [Смеётся.]

Почему вы решили бросить хакерство и стать учёным?

Я знаю, что хакинг звучит невероятно захватывающе, но я уже некоторое время им занимался. Конечно, методы совершенствуются, но в целом это всё то же самое. Мне стало скучно, и я решил попробовать что-то новое. И тогда я открыл для себя квантовую теорию информации, и это оказалось невероятно увлекательно.

Одна из теорем, которую вы впоследствии доказали относительно квантовой информации, — это теорема о шумовом хранении. Что это за теорема, и каковы её последствия для квантовой связи?

В контексте криптографии с учетом шума часто используются физические предположения. В классической криптографии часто делаются вычислительные предположения. Например, предполагается, что сложно определить простые множители больших чисел, и если это предположение верно, то мой протокол безопасен. Такие доказательства безопасности хороши и распространены повсюду, но следует понимать, что они могут быть опровергнуты позже. Если в будущем кто-то изобретет умную процедуру для решения вычислительной задачи, на которой основана ваша безопасность, безопасность может быть нарушена задним числом. Например, когда у нас появятся квантовые компьютеры, они смогут разлагать большие числа на множители, и, следовательно, безопасность, основанная на разложении на множители, будет нарушена. Если кто-то запишет ваши сообщения сегодня, то их можно будет расшифровать позже.

Работа над проблемой хранения данных в условиях шума сводилась к следующему: можем ли мы сделать физическое предположение, которое нельзя будет нарушить задним числом? Физическое предположение заключается в том, что сложно хранить большое количество квантовых состояний без шума, и это должно быть справедливо лишь в очень короткие промежутки времени. Если я предположу, что сейчас можно хранить только до 1 миллиона зашумленных кубитов, то я могу изменить параметры протокола для повышения безопасности, передавая больше информации, чем могут уловить эти миллион зашумленных кубитов. Это удобно, потому что если завтра вы купите квантовую память с 2 миллионами кубитов, будет уже поздно; информация уже будет передана безопасно.

Это позволило бы нам реализовать всевозможные протоколы в квантовой связи. Допустим, два человека хотят сравнить свои пароли, не раскрывая их. Это не похоже на то, что мы делаем сейчас, когда вы используете банкомат и вводите там свой PIN-код — вместо этого я буду вводить PIN-код на своем собственном устройстве, и он никогда не будет передан банкомату. Такой протокол становится возможным при условии наличия шумного хранилища.

Способствует ли разработка квантового интернета получению фундаментальных знаний о законах природы — своего рода научному подходу, основанному на обучении на практике?

В науке иногда бытует мнение, что одни вопросы фундаментальны, а другие — банальны. Я думаю, что создание чего-то, что люди действительно смогут использовать в реальном мире, никогда не бывает банальным. Это невероятно сложно. Происходит невероятный скачок от «У меня есть отличная идея; давайте обсудим её на доске» до мобильного телефона, который я сейчас использую, чтобы поговорить с вами. С квантовым интернетом мы пытаемся сделать это с нуля. С самого начала. От эксперимента на ранней стадии в лаборатории до сети, которую мы пытаемся создать в Нидерландах, до чего-то, что находится за пределами лаборатории, работает на расстоянии, может использоваться людьми, с чем они могут экспериментировать, и для этого людям не нужно знать физику. Если бы какая-то часть системы уже существовала, мы могли бы сказать: «Теперь мы собираемся её улучшить». Но шаг от нуля до первой версии очень велик.

Я думаю, что таким образом мы получим более фундаментальное понимание в нескольких областях. Мы узнаем больше о физике, сделав эти сети возможными, потому что в настоящее время мы точно не знаем, как это сделать. Мы все еще пробуем различные типы узлов и квантовых ретрансляторов — устройств, передающих запутанность на большие расстояния. А в области информатики мы узнаем совершенно новый способ программирования и управления такими сетями благодаря фундаментальным отличиям от классической связи.

Но я также думаю, что, используя такую сеть, мы получаем информацию о творчестве и социальных науках — о том, как люди на самом деле будут использовать эти сети. Если посмотреть на классический интернет, люди думали, что мы будем использовать его для отправки файлов. Это было здорово. Но люди стали более изобретательными.

Насколько я понимаю, сложно назвать конкретные сроки для всего этого, но надеетесь ли вы при своей жизни увидеть то, что вы бы справедливо назвали квантовым интернетом?

Да, я отношусь к этому с оптимизмом.

Данная статья была перепечатана на сайте ScientificAmerican.com.

Источник: www.quantamagazine.org