Kvantmanipulationer ved Moscow State University Physics Department

Kvantmanipulationer ved Moscow State University Physics Department

Sergey Komarov
"Kemi og liv", nr. 9, 2017

Et af de avancerede laboratorier, hvis medarbejdere forsøger at gøre det sådan, at kvanteobjektets særlige egenskaber kan anvendes i hverdagen, ligger ved Fysikfakultetet i Moskva State University. M. V. Lomonosov. Her er de engageret i brugen af ​​kvantkryptografi for at tilvejebringe en kommunikation, der er beskyttet mod aflytning og oprettelsen af ​​en kvantecomputer. Vores korrespondent, kandidat for fysiske og matematiske videnskaber S. M. Komarov besøgte laboratoriet.

Manipulation (fra lat. manipulus – en håndfuld, en håndfuld, manus – hånd) – handling ved hånd eller hånd, når der udføres vanskeligt arbejde.
Big Encyclopedic Dictionary

Problemet med projektil og rustning

"Quantum computer og quantum kryptografi er uløseligt forbundet med hinanden: så snart den første vises, vil mange systemer for transmission af krypteret information være i fare. En pålidelig og relativt billig måde at modstå er at skabe et system med kvantkryptografi, hvor det er umuligt at låse krypteringsnøglen umærkeligt. Der er endnu ingen kvantecomputer, og kvantekrypteringssystemer er allerede oprettet, og vores laboratorium er i verdens førende positioner, "siger professor S. P. Kulik.

Desktop til gennemførelse af eksperimenter på kvantkryptografi

Idéen om at skabe en ikke-skjult kodning ved hjælp af lysets kvanteegenskaber fremkom i 70'erne af det 20. århundrede, men så syntes det fantastisk. Men med udviklingen af ​​laserteknologi og fremkomsten af ​​fiberoptiske kommunikationssystemer viste det sig, at det er helt muligt at udføre sådan kryptering af information.

Ideen er baseret på en sådan egenskab af kvantobjekter som umuligheden af ​​at måle deres nuværende tilstand: selve måleprocessen vil ændre denne tilstand uoprettelig, kun resultatet af ændringen kan løses. Derfor er enhver "touch" til en kvanteobjekt ikke i stand til at gå ubemærket. Herfra følger princippet om drift af systemet med perfekt kryptering: den skal skabe kvantobjekter i en kendt tilstand, for eksempel generere lyskvanta med en bestemt retning af polariseringsvektoren og derefter analysere, om denne tilstand er ændret under transmissionsprocessen. Selvfølgelig vil en sådan analyse uundgåeligt ændre kvantetilstanden, men det vil være en logisk ændring, der er kendt for skaberne af kommunikationssystemet.Derfor vil de kunne gætte, hvad tilstanden var før målingen. Men hvis en angriber undervejs "rører" en foton, der flyver forbi ham, vil staten blive ændret på en ukontrolleret måde og vil blive bemærket i den anden ende. Og efter at have bemærket – de vil træffe foranstaltninger: lad os sige, at de holder op med at sende. Ved hjælp af algoritmer udviklet af kvantkryptografer, kan du bestemme, hvor meget information angriberen har opnået før sikkerhedssystemerne arbejdede.

Sådanne vanskeligheder er nødvendige for sikker overførsel af nøglen til chifferet fra en klient til en anden. Og så vil de udveksle information krypteret med sådanne nøgler. Det viser sig, at de skal forbindes med to kommunikationslinjer: en til overførsel af konstant skiftende nøgler, og den anden til overførsel af de faktiske oplysninger. Når du opretter nøgler, kan du bruge et så bemærkelsesværdigt fænomen som kvanteteleportation. For at gøre dette, for eksempel ved at bruge en laser, der fordobler frekvensen af ​​strålingen ind i den, skaber de to fotoner fra en. At være født samtidigt, er de i den såkaldte indviklede tilstand: En ændring i tilstanden af ​​en fører til en øjeblikkelig ændring i tilstanden af ​​den anden.Derefter vil begge klienter, til hvem den centrale server sendte over en sådan foton, kunne selvstændigt, dvs. uden at deltage fra serveren, generere krypteringsnøglerne til udveksling af information.

Dekans telefon

Arbejdet med kvantkryptografer fra Kulik laboratoriet er dedikeret til dannelsen af ​​kvantetilstande og deres kontrollerede måling. "Vores laboratorium er i spidsen i verden. Årsagen er, at Moskva Universitet har en lang historie med forskning inden for kvantemetode- og informationsbehandlingsmetoder. Eksempelvis er professor David Nikolaevich Kyshko en af ​​grundlæggerne af verdenskolen for kvanteoptik – en universitetsforsker. Takket være denne skole kan vi opretholde et højt niveau af både teoretisk udvikling og realisering af interessante ideer, siger professor Kulik.

Faktisk testede universitetsfysikere i oktober 2016 muligheden for at oprette en fjernkvantumkommunikationskanal baseret på Rostelecoms eksisterende fiberoptiske linje. Information krypteret med kvantenøgler blev udvekslet mellem abonnenter, der var placeret i Noginsk og Pavlovsky Posad.Efter at operatøren har konfigureret systemet, var overførslen af ​​oplysninger automatisk. Nøglerne blev fordelt mellem den centrale server og flere klientnoder: Nøglerne modtaget successivt på forskellige noder synkroniseres på en særlig måde, hvilket gør det muligt for alle abonnenter at udveksle krypterede meddelelser direkte. Samtidig tillader serverstationen kommunikation til 32 abonnenter.

Professor S. P. Kulik forklarer dataudvekslingsteknologi i et kvantkommunikationssystem

Det betyder, at på allerede eksisterende udstyr og uden at lægge ekstra kabler, kan du oprette lokale netværk til udveksling af fuldt beskyttede oplysninger. Et sådant netværk til telefonsamtaler samles nu ved MSU. For det første vil hun forbinde rektorens og dekanen for Fysikafdelingen, så vil andre dekanskontorer blive knyttet til den, herunder dem, der ligger i den gamle universitetsbygning på Mokhovaya Street. I dette netværk går hovedsignalet gennem en normal telefonlinje, og chifferet overføres til det via en parallel optisk en. Abonnentindretninger begynder at digitalisere og kryptere abonnenternes tale.Et sådant netværk vil fungere som en fremragende demonstrationsmodel.

Faktisk blev forsøg på at organisere optiske systemer til kommunikation af objekter i forskellige universiteter foretaget mere end én gang og uden nogen opgave med kvantkryptografi: dette eliminerer behovet for at lægge underjordiske kabler. Det er nok at installere lasere og modtagere på byens høje bygninger. Der er dog begrænsninger: tåge og nedbør, spredning af laserstrålen, kan forstyrre systemet. Den mest lovende brug af en sådan teknologi er en udgang i rummet, hvor et kvantesignal kan rejse tusinder af kilometer uden forandring. I tilfælde af succes kan et planetskvantum Internet bygges, som vil forene lokale noder, der betjener abonnenter inden for en radius af titusind kilometer gennem rummet.

Model fanget

Parallelt med systemet med kvantkryptografi udvikles en kvantecomputer på Fysikafdelingen – den ene med udseendet af hvilket mange ikke-kvante krypteringssystemer vil miste deres betydning. For denne enhed er algoritmer blevet skrevet, et programmeringssprog er blevet oprettet, og fra et matematisk synspunkt er det helt forståeligt for specialister, hvordan man handler.Ting er lette: at skabe et kvantesystem, hvor det vil være muligt på en naturlig måde at skabe og ændre kvantestater. Der er flere tilgange, og det bedste er endnu ikke blevet fundet. Universitetsforskere håber at lave en computer på enkelt superkold atomer indeholdt i elektromagnetiske fælder, men det er stadig langt fra at skabe en rigtig enhed. Vedligeholdelse af enkeltioner og elektroner i elektromagnetiske fælder og superkoldatomer i optiske melasse (se Chemistry and Life, nr. 10, 2001) er lært i lang tid, og nogle af metoderne til at skabe selv modtog deres Nobelpriser (og andre for eksempel S. Letokhov fra Institut for Spektroskopi RAS, nej). For at en kvantecomputer skal arbejde, er det imidlertid nødvendigt at kunne introducere flere atomer, der er fanget i fælden, i bundne kvantetilstande, og derefter måle systemets overordnede tilstand. Med dette virker alt ikke jævnt.

"Hidtil har ingen været i stand til at vise, at hans qubit array fungerer som en kvantecomputer, det vil sige, at man kan gennemføre en testberegning – nedbrydning i mange faktorer – for at udføre den såkaldte Shor-algoritme.Men en anden type af lignende enheder, kvantesimulatorer eksisterer allerede. Kvantsimulatoren skabt af os på basis af individuelle atomer vil være analog, det vil sige, det virker som en analog af et ægte kvantemekanisk system. Med en sådan analog vil det være muligt at udføre manipulationer, der er umulige med det virkelige system, og på grundlag heraf dømmer dets adfærd. For eksempel kan et sådant system være et molekyle. Ved at spørge hver af flere simulator qubits en bestemt kvante tilstand, kan vi finde ud af kvantetilstanden for et molekyle bygget af det samme antal atomer. Selv en ufuldkommen kvantecomputer kan allerede bruges i kemi, for eksempel til at udvikle nye molekyler med specifikke, herunder helbredende egenskaber, "siger professor Kulik.

Den fælde, som laboratoriemedarbejderen peger på, er et atom, der er i stand til at blive en qubit af en kvantecomputer eller simulator

Kvantsimulatorer er af interesse, forudsat at simuleringen af ​​ægte kvantesystemer udført på dem er hurtigere og mere præcis end på digitale computere. Og beregningstiden afhænger af antallet af elementer i det simulerede system.Teoretisk kræver beregningen af ​​et molekyle fra halvtreds atomer en betydelig mængde tid for en stærk computer, mens en kvantesimulator kunne gøre dette næsten øjeblikkeligt. Men for at dette skal ske, skal det bestå af halvtreds qubits. Mens arbejdssimulatorer af denne størrelse ikke er oprettet. Det maksimale, som forskere har opnået på de mest almindelige simulatorer med qubits af atomer, ioner eller superledende strømme, er ni qubits. Dette er egnet til debugging metoder til at arbejde med kvante enheder, men for at konkurrere med digitale modeller, er den endnu ikke tilgængelig.

Problemet er ikke kun at samle tiere og hundredvis af kvanteobjekter på ét sted. Jo mere qubits, jo sværere er det at adressere – giv hver den ønskede tilstand og gem disse tilstande, indtil simuleringsresultaterne fjernes. Forskere mener, at sådanne restriktioner på størrelsen af ​​et kunstigt kvantesystem ikke er grundlæggende i naturen, og derfor forhindrer intet en stigning i antallet af qubits i simulatoren, bortset fra ufuldstændigheden af ​​teknikken til at arbejde med qubits.Og dette, som historien om udviklingen af ​​teknisk civilisation tyder på, er en ny ting. Faktisk kunne quantummekanikernes skabere for et århundrede siden antage, at denne ide, som mange syntes at være et sindspil, en bekvem matematisk formalisme til at forklare eksperimentelle data, er i stand til at finde en materiel udførelsesform? Imidlertid kan kvanteobjekter ikke kun være målbevidst skabt, men også berørt – for eksempel ved hjælp af en laserpuls, hvorved kvantestatus bestemmes, som en genstand vil tage under påvirkning af måling. Der vil ikke være noget usandsynligt, at mennesker i morgen vil begynde at bruge egenskaberne af sådanne genstande til at løse ganske utilitaristiske opgaver.


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: