Безопасные связи Квантовые технологии МГУ имени М.В. Ломоносова ведут Россию в будущее

МГУ имени М.В. Ломоносова в декабре прошлого года выиграл грант на государственную поддержку центров НТИ. Для выполнения проекта по сквозной технологии «Квантовые технологии» на физическом факультете МГУ был создан Центр квантовых технологий. Физический факультет университета считается лидером в технологиях квантовой оптики, в разработке электронной компонентной базы для квантовых компьютеров, защищенных систем квантовой связи и криптографии. Здесь при поддержке ФПИ и ряда министерств исследования ведутся с 1996 года.

К настоящему времени ученые физфака создали и испытали полностью автоматическую оптоволоконную систему квантового распределения ключей, которая продемонстрировала стабильную работу на оптоволоконных линиях ПАО «Ростелеком» на расстоянии 32 километров между Ногинском и Павловским Посадом. В основе таких криптографических систем лежит разработанный и созданный на физфаке первый в России экспериментальный образец квантового генератора случайных чисел. Датчик прошел тестирование в сертификационном центре и обеспечивает скорость генерации абсолютно случайных чисел до 100 мегабит в секунду.

«Наиболее наглядно отличие проявляется в квантовой криптографии — составной части квантовых коммуникаций, где речь идет о распределении секретных ключей между двумя и более абонентами, — говорит руководитель лаборатории квантовых оптических технологий Сергей Кулик. — Основное отличие — в фундаментальных свойствах квантовых состояний, таких свойств нет у классических состояний, а именно: не зная наперед состояние квантового объекта, его невозможно измерить, при этом не исказив. Более того, чем больше мы узнаем в результате измерения о свойствах квантового объекта, тем более мы его искажаем. Для передачи информации это проявляется в том, что злоумышленник, пытаясь прочитать передаваемую информацию, неизбежно вызовет ее искажение — тем сильнее, чем больше он узнал. Протоколы квантовой криптографии устроены так, что действие нелигитимной стороны будет обнаружено, и сеанс связи будет прекращен. Более того, если воздействие на передаваемую информацию будет не очень сильным (количественно величина искажений определяется внутренними свойствами используемого протокола), законные участники все равно смогут обменяться ключами, а злоумышленник о них ничего не будет знать».

В университете совместно с компанией ОАО «ИнфоТеКС» ведутся работы над высокопроизводительным шифратором, позволяющим в автоматическом режиме кодировать информацию со скоростью до 10 гигабит в секунду. Квантовый канал распределения криптографических ключей при этом обновляется несколько раз в секунду. В рамках программы развития МГУ имени М.В. Ломоносова создается университетская квантовая сеть. Уже действует «квантовый телефон», обеспечивающий прямой квантовый канал обмена информацией между кабинетом ректора и кабинетом декана физического факультета.

«Внешне это устройство ничем не отличается от привычной телефонной трубки или любого другого терминала связи. Однако при обмене информацией между обладателями такого устройства — это может быть речь, текстовые сообщения, обмен файлами и прочее, — шифрование и расшифрование происходит на квантовых ключах, которые постоянно меняются. Тем самым обеспечивается повышенная защищенность передаваемой информации», — объясняет Кулик.

В области квантовых вычислений в университете активно ведутся исследования нейтральных атомов в ловушках и фотонных чипов — основных кандидатов для создания квантовых вычислительных устройств. Уже разработана и создана экспериментальная установка, позволяющая захватывать одиночные атомы рубидия в микродипольные ловушки. Преимуществом такой технологии считается возможность создавать упорядоченные решетки из одиночных атомов с произвольной структурой и контролируемым взаимодействием. Разработанная на физфаке технология создания сложных трехмерных массивов интегрально-оптических волноводных структур позволяет непосредственно реализовать квантовые алгоритмы. Именно в МГУ имени М.В. Ломоносова разработана технология создания программируемых фотонных чипов, которая позволяет масштабировать линейно оптические цепи и динамически исправлять ошибки методами адаптивной томографии. Этот результат считается прорывным.

«В научном аспекте нам необходимо решить много задач, связанных с управлением квантовыми состояниями для построения квантовых вычислительных устройств. Прежде всего, как с хорошим качеством обеспечить парные взаимодействия квантовых состояний, например, для холодных атомов. Если говорить о преподавательской деятельности, мы хотели бы сформировать несколько программ обучения по специальностям квантовой обработки информации, а также построить хороший практикум, в котором студенты смогли бы непосредственно или дистанционно исследовать наиболее яркие эффекты в этой области. Например, управление состоянием одиночных атомов, приготовление перепутанных состояний фотонов и многие другие, — делится планами Кулик. — В организационном плане очень бы хотелось правильно построить инфраструктуру нашего Центра квантовых технологий, который недавно был создан в МГУ имени М.В. Ломоносова на базе физического факультета. Здесь будет сконцентрирована и научная, и образовательная, и правовая деятельность в области квантовых технологий в России, включая координацию работ, проводимых в различных организациях — членах нашего консорциума. Таких организаций насчитывается более десятка, и в ближайшее время в консорциум вступят еще около десяти новых команд».

Сейчас в университете действуют четыре крупные научные школы, обеспечивающие получение фундаментальных и прикладных результатов в квантовых технологиях. Все они занимают лидирующие позиции в мире. Исследования в области квантовой оптики, начало которым положил профессор физфака Давид Клышко, посвящены технологии генерации, преобразования и измерения N-фотонного света, абсолютной квантовой фотометрии, квантовой интерферометрии и спектроскопии. В университете расположена школа Владимира Брагинского по технологиям квантовых измерений. Усилиями ученых разработаны принципы прецизионных квантовых измерений, предсказано существование стандартного квантового предела, предложены и обоснованы принципы квантовых невозмущающих измерений, разработаны некоторые ключевые элементы в детекторах гравитационных волн.

Школа Леонида Келдыша занимается исследованиями по взаимодействию излучения с веществом. Неупругая туннельная спектроскопия, взаимодействия мощного лазерного излучения с атомами, молекулами и твердыми телами, кинетика сильно неравновесных квантовых систем — только несколько направлений, развиваемых этой школой. Школа по квантовой оптоэлектронике, созданная Константином Лихаревым, занимается ортодоксальной теорией коррелированного туннелирования, а также разработкой и созданием оригинальных одноэлектронных устройств и систем (наноразмерных зарядовых сенсоров с субэлектронной чувствительностью, элементов памяти и логических элементов вычислительных систем, прототипов стандарта тока).