[RpL 544] Статья из "Поиска" № 16 по квантовой криптографии

[bmvoronov на rplab.ru]

Представлены перспективы квантовых технологий ( в том числе проблемы
квантовой криптографии ) с точки зрения новосибирских ученых.
 Колесова Ольга
19.04.2013


Каждому хочется заглянуть в будущее. Квантовый компьютер, квантовая
криптография и даже квантовая телепортация - красота терминов порождает
домыслы и мистические толкования. Так, например, еще в 1935 году в
американском журнале “Физическое обозрение” была опубликована работа
Эйнштейна, Подольского, Розена под названием “Может ли
квантово-механическое описание физической реальности считаться полным?”.
Вслед за ней вышла статья с абсолютно таким же названием, автором которой
был Нильс Бор. Эти две публикации вызвали дискуссии, которые не утихают до
настоящего времени.
Парадоксу Эйнштейна – Подольского - Розена околонаучная и совсем не
научная литература приписывает некие мистические особенности: скажем, если
мы измерили характеристики одной из частиц пары, то якобы другая частица,
улетевшая на расстояние в миллионы километров от первой, мгновенно должна
воспринять это событие. В итоге делается вывод, что существуют механизмы
распространения информации со скоростью, значительно превышающей скорость
света. Оставим эти предположения авторам фантастических романов. О
реальных перспективах квантовых технологий расскажут ученые - сотрудники
Института физики полупроводников СО РАН (ИФП), который является одним из
российских и мировых лидеров в данной тематике. В гостях у “Поиска” -
заведующий лабораторией нелинейных резонансных процессов и лазерной
диагностики Игорь Рябцев и ведущий научный сотрудник лаборатории
молекулярно-лучевой эпитаксии соединений A3-B5 доктор
физико-математических наук Владимир Гайслер.


И.Рябцев: - Область наших исследований - спектроскопия так называемых
ридберговских атомов (возбужденных лазером, которыми можно управлять).
Такой атом отличается от обычных многими свойствами, дающими возможность
применять его в квантовых вычислениях. Конечно, до реальных образцов
квантового компьютера еще далеко - это работа на перспективу. Но
2-кубитовые операции (кубит - одиночная квантовая частица, единица
информации в квантовом компьютере) уже реализованы.
В Сибирском отделении работа по исследованию ридберговских атомов началась
в 1980-х годах по инициативе академика Вениамина Чеботаева. Прорыв
произошел почти 30 лет спустя, когда запустили установку с холодными
атомами. В 2010 году мы впервые в мире наблюдали управляемое электрическим
полем взаимодействие двух ридберговских атомов в магнитооптической ловушке
с системой возбуждения и регистрации одиночных ридберговских атомов
(магнитооптическая ловушка - созданная в ИФП экспериментальная установка,
которую отличает от зарубежных аналогов высокочувствительный и быстрый
метод регистрации одиночных атомов).
Сейчас мы модернизируем установку - переходим на использование для
возбуждения атомов узкополосных непрерывных лазеров вместо импульсных
широкополосных. Согласно недавно подписанному договору с Российским
квантовым центром в “Сколково”, наша лаборатория должна исследовать эффект
дипольной блокады для малого числа холодных атомов. Такая блокада
позволяет возбудить только один ридберговский атом из ансамбля и
одновременно затормозить возбуждение остальных, что тоже можно
использовать для квантовых вычислений.
В.Гайслер: - Наша специализация - исследование оптических свойств
полупроводниковых наноструктур с целью создания сверхминиатюрных
излучателей света. Полупроводниковые наноструктуры являются неисчерпаемым
источником для разработки эффективных и быстродействующих светоизлучающих
приборов современной оптоэлектроники, таких как светодиоды и лазеры.
Современные полупроводниковые технологии позволяют в едином
технологическом процессе формировать все необходимые элементы излучателя:
активную усиливающую область, зеркала, токопроводящие слои. В последние
годы мы трудимся в двух направлениях: разработка полупроводниковых лазеров
с вертикальным резонатором (ЛВР) и излучателей одиночных фотонов (ИОФ) на
основе полупроводниковых квантовых точек (квантовые точки – “кусочки”
вещества, позволяющие конструировать материалы с заданным энергетическим
спектром, в ИФП реализуются пионерские работы по созданию
германий-кремниевых и других квантовых точек). Лазеры с вертикальным
резонатором - самые миниатюрные, экономичные и быстродействующие. Они
рекордсмены по этим параметрам не только среди полупроводниковых лазеров,
но и во всей лазерной технике.
Одной из уникальных характеристик ЛВР является быстродействие, что
позволяет использовать его в оптических высокоскоростных системах передачи
информации. На сегодня с использованием ЛВР продемонстрирована скорость
передачи данных 40 Гбит/c. Это мировой рекорд, но еще не предел для
данного типа излучателей. Другой особенностью ЛВР является возможность
изготовления матриц, содержащих десятки и сотни излучателей, что открывает
перспективы разработки сверхмощных оптических систем передачи данных,
обеспечивающих скорости на уровне Тбит/с.
Использование ЛВР в оптических системах передачи данных - важнейшее, но не
единственное применение этих лазеров. Они пригодятся и в миниатюрных
атомных стандартах частоты. Сегодняшние атомные стандарты частоты дороги и
громоздки. Их трудно использовать, например, в мобильных устройствах
навигации и передачи данных.
В миниатюрных атомных стандартах частоты нового поколения (Chip-scale
atomic clock, CSAC) резонансные лампы заменяются на сверхминиатюрные
полупроводниковые лазеры с вертикальным резонатором, что открывает
перспективы создания нового класса приборов с малым весом (десятки грамм),
размерами (сантиметры) и малым энергопотреблением (десятки милливатт). Это
позволит существенно улучшить характеристики большого числа
телекоммуникационных и навигационных устройств.
В ИФП в течение последних лет разработаны экспериментальные образцы
одномодовых ЛВР с длиной волны излучения 795 нм, соответствующей
резонансной линии поглощения в атомах рубидия. Разработанные лазеры могут
быть использованы для создания экспериментальных миниатюрных атомных
стандартов частоты. Сейчас ведем переговоры с ОАО “Информационные
спутниковые системы” им. академика М.Ф.Решетнева” о разработке таких
стандартов.
Излучатели одиночных фотонов - это абсолютный предел миниатюризации
излучателей света. Они могут найти применение в системах квантовой
криптографии, квантовых вычислений. Они необходимы для прецизионной
спектроскопии и для создания эталонов оптической мощности.
К настоящему моменту времени однофотонное излучение (с оптической лазерной
накачкой) продемонстрировано на целом ряде объектов: одиночные атомы и
ионы, одиночные молекулы, центры окраски и одиночные полупроводниковые
квантовые точки. Достоинством полупроводниковых квантовых точек является
возможность создания излучателя одиночных фотонов с токовой накачкой в
виде сверхминиатюрного светодиода, то есть в виде полностью твердотельного
компактного излучателя. Такой излучатель реализован в Институте физики
полупроводников СО РАН совместно с берлинским Институтом физики твердого
тела.
И.Рябцев: - Если квантовый компьютер - дело будущего, то
квантово-криптографическая система, разработанная в ИФП, при наличии
инвестиций в размере 50 миллионов рублей может быть подготовлена к
внедрению за два-три года. В чем суть квантовой криптографии? Как
известно, классические оптоволоконные линии связи не гарантируют
абсолютной секретности. Допустим, есть передатчик Алиса и приемник Боб.
Когда Алиса передает Бобу информацию стандартным образом - много фотонов в
лазерном импульсе, шпион Ева может подсоединиться к линии связи и
незаметно перехватить часть информации...
В.Гайслер: - Меня пора­зило, что устройство для “заимствования” информации
из оптоволокна есть в свободной продаже в специализированных магазинах
Новосибирска.
И.Рябцев: - Чтобы избежать несанкционированного доступа к информации,
следует передавать ее одиночными фотонами. Тогда абсолютную секретность
гарантируют законы квантовой механики: фотон попадает либо к Бобу, либо к
Еве. Ева может попытаться измерить фотон и клонировать его. Но... любое
измерение фотона ведет к изменению его состояния - следовательно, точное
клонирование невозможно, шпион будет обнаружен.
Швейцарская группа исследователей под руководством Николаса Жизана
разработала систему для генерации однофотонного квантового ключа в
оптоволоконных линиях связи. Для коммерческого использования, скорее
всего, будут покупать их установки. Однако для специальных задач,
связанных с секретностью, нужны установки с отечественным процессором,
иначе конфиденциальность невозможно гарантировать.
Наш институт занялся разработкой таких систем в 2005 году, сегодня уже
есть лабораторный образец. В мире таких считаные единицы: уже упомянутые
швейцарские, американские серийные образцы квантовых систем связи, опытные
образцы у японцев. Сейчас в рамках интеграционного проекта сотрудничаем с
Институтом лазерной физики СО РАН в разработке квантовых систем
спутниковой связи, для которых фотоны надо уметь передавать на 10
километров. В ближайшее время будем экспериментально пытаться это сделать
на алтайском полигоне ИЛФ.
В.Гайслер: - Перспективное направление для нашей лаборатории - разработка
излучателей пар запутанных фотонов. Для того чтобы квантовая точка могла
быть излучателем пар запутанных фотонов, от нее требуется лишь одно -
цилиндрическая или тетрагональная симметрия высокого уровня. Это условие
должно соблюдаться с максимальной точностью. Как известно, точность 1%
(сантиметр к метру) – “топорная” точность, при которой сруб получится
ровным, 0,1% (миллиметр к метру) - столярная точность, здесь правильной
формы будет табуретка, дальше идут слесарная и токарно-фрезерная точность
(соответственно 0,01% и 0,001%).
Для создания излучателя пар запутанных фотонов на основе полупроводниковых
квантовых точек требуется выровнять энергии экситонных (экситон -
квазичастица, представляющая собой связанную электрон-дырочную пару)
уровней с точностью 0,0001% (то есть с эталонной точностью). Уместно
задать вопрос: возможно ли это? Наши последние результаты демонстрируют:
возможно. На эту тему мы сейчас готовим проект, который, возможно, будет
финансироваться Фондом “Сколково”.
***
Мои собеседники напомнили недавнее удачное высказывание кого-то из
академиков, что Российская академия наук уверенно перешла из нищеты в
бедность, и посетовали, что по условиям многих академических грантов 75%
нужно пускать на зарплату, а они предпочли бы модернизировать лаборатории.
Лаборатория нелинейных резонансных процессов, в которой корреспондент
“Поиска” побывал на экскурсии, представляет собой интересный пример
эклектики: здесь можно найти и приборы советских времен, и элегантные
дорогостоящие американские устройства - лазер накачки и микроволновый
синтезатор, закупленные по линии Приборной комиссии СО РАН, и даже
измеритель длины волны современного российского производства (фирмы
“Ангстрем”, базирующейся в технопарке Новосибирского академгородка, прочно
обосновавшейся и на мировом рынке).
На средства, полученные по контракту с Российским квантовым центром в
“Сколково”, Игорь Рябцев планирует приобрести в США специальный оптический
резонатор для высокоточной стабилизации лазеров. Приступил к модернизации
лаборатории и Владимир Гайслер, поскольку считает, что надо становиться
полноценным членом мирового научного сообщества и реализовывать весь
процесс - от замысла до эксперимента - в стенах родного института, а не
сидеть на чемоданах, ожидая возможности поработать и подзаработать
где-нибудь за рубежом. Правда, на пути ученых к желанным приборам лежит
много препятствий: ФЗ №94, таможня, посредники, накручивающие
дополнительные 50% стоимости оборудования... Но это уже тема для отдельной
беседы.

На верхнем фото: Игорь Рябцев

На нижнем фото: Владимир Гайслер