Поиск - новости науки и техники

Фотон с секретом. Квантовые технологии продвинут криптографию.

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

Подготовила
Ольга КОЛЕСОВА

Нет комментариев