Квантовый скачок
Quantum Leaping
Сара Робинсон (Sara Robinson), Interactive Week
19 ноября 2000 г.
Физик Джонатан Доулинг (Jonathan Dowling) из Института реактивного движения при NASA знал, что его исследованием рано или поздно заинтересуются, но не представлял, в какой степени, пока к нему не обратились представители разведслужбы. Это произошло в начале года, когда Доулинг и его коллеги нашли способ использования механизмов квантовой физики для прецизионной синхронизации двух часов. Узнав о разговоре с представителем Агентства национальной безопасности (NSA), проявившим интерес к результатам этой работы, один из сотрудников лаборатории в шутку отправил своему начальнику e-mail с предложением выставить эти результаты на аукцион eBay. Доулинг, недолго думая, форварднул этот e-mail парню из NSA. На следующий же день позвонил незнакомец из Национального управления аэрофотосъемки (National Reconnaissance Office, NRO) при Министерстве обороны и предложил Доулингу финансировать его исследования, сославшись на потенциальную ценность их результатов для спутниковой разведки.
Этот случай говорит о растущем интересе разведслужб ко всему, что относится к квантам. Квантовые вычисления, квантовая криптография, а теперь и квантовая синхронизация часов + все это футуристические технологии, далекие от практического воплощения. Несмотря на это, оборонные и разведывательные ведомства не жалеют денег на их финансирование.
Квантовая теория информации, к которой относятся все эти исследования, имеет дело со странными физическими свойствами микрочастиц. Эти свойства пока трудно использовать на практике, но они создают новые возможности для хранения, обработки и защиты информации. гНовая идея заключается в том, что информация + не абстрактный предмет, + поясняет профессор Калифорнийского университета в Беркли Юмеш Вазирани (Umesh Vazirani). + Она каким-то образом материализуется на квантовом уровне и обладает некоторыми фантастическими свойствамиё.
Квантовая теория информации впервые привлекла внимание американских спецслужб шесть лет назад, когда научный сотрудник AT&T Питер Шор (Peter Shor) продемонстрировал возможность квантового компьютера взламывать шифры, защищающие информацию в сетях. Так как алгоритм Шора угрожает существующим методам шифрования, появилась потребность в поиске защиты от него. Квантовая криптография и положила начало современного бума исследований в области квантовой теории информации. Квантовая синхронизация часов + еще одно приложение этой теории, которое привлекло внимание разведслужб. Доулинг опубликовал результаты своих исследований в сентябре; примерно в то же время появилась аналогичная публикация группы исследователей из IBM.
Недавно DARPA, главное научное ведомство Министерства обороны, выделило 100 млн $ на пятилетнюю программу Quantum Information Science and Technology (QuIST). Эти деньги + небольшая, но весомая часть годового бюджета DARPA в 2 млрд $, + пойдут на исследовательские проекты, проводимые в университетах, научных организациях и компаниях. В октябре DARPA провела в Вашингтоне семинар для ученых, претендующих на фонды QuIST. На этом мероприятии, которое его организаторы называют гочень необычным примером открытостиё, различные ведомства Минобороны подчеркивали важность квантовой информационной технологии для национальных интересов. Затем некоторые агентства выразили заинтересованность в исследованиях по конкретным направлениям.
На шаг впереди
На семинаре Генри Иверитт (Henry Everitt) из армейского научного управления отметил, что США сохраняют технологическое лидерство, опережая все другие страны. Многие исследования имеют стратегическое значение и проводятся в обстановке секретности. Но QuIST, как и большинство других фундаментальных научных программ DARPA, будет финансировать исследования, результаты которых должны открыто публиковаться участниками программы во всем мире. Заявки на финансирование по программе QuIST подали некоторые университеты Канады и Европы.
гЗадача DARPA не в том, чтобы проводить сверхсекретные исследования, а в том, чтобы исключить гтехнологические сюрпризыLё, + поясняет директор DARPA по информационным технологиям Шанкар Састри (Shankar Sastry). По его словам, агентство было создано после того, как русские запустили Sputnik + это событие шокировало сообщество американских ученых, так как никто не представлял себе, как далеко зашла российская космическая программа.
Оставаясь частью более широкой научной среды, DARPA пристально следит за ходом исследований в разных областях и привлекает внимание лучших ученых к тем проблемам, которые особенно важны для Минобороны. Ученые, работа которых спонсируется DARPA, регулярно отчитываются перед организацией и участвуют в ее конференциях.
В частности, задачей DARPA является финансирование проектов с высоким риском. Многие проекты стратегической важности могли бы не привлечь внимание других агентств, таких как Национальный фонд науки (NSF), который выделяет средства на перспективные проекты и старается избегать путей с малыми шансами на успех. К тому же у NSF гораздо меньше денег, чем у DARPA, фонды которого расходуются на небольшое число очень дорогих проектов. гОбщий подход DARPA + выбрать умеренное количество лидеров и предоставить им крупные ресурсы, позволяющие нанять необходимый персоналё, + поясняет Састри.
Квантовая теория информации определенно относится к исследованиям с высокой степенью риска. Все ее поразительные результаты + чисто теоретические. Большинство ученых сходится во мнении, что реальные устройства, если они вообще возможны, появятся очень нескоро. Несколько групп исследователей создали крошечные квантовые компьютеры, способные хранить всего несколько битов, и разработали протоколы для квантовой криптографии, позволяющие передавать ключи шифрования на короткие расстояния. Но пока нет уверенности в том, что какой-то из предложенных подходов способен привести к появлению практических устройств.
И все же правительство возлагает на эту технологию большие надежды и готово выделить на исследования в этой области огромные ресурсы. гСтавки слишком высоки, и инвестировать стоит, + говорит Састри. + На карту поставлена безопасность всего интернетаё. Не удивительно, что представители разведслужб хотели бы, чтобы больше исследований в области квантовой теории было посвящено расшифровке существующих кодов и созданию новых. Более общая задача, которую ставят руководители DARPA + лучше разобраться в том, на что квантовые компьютеры способны, а на что + нет.
Квантовые компьютеры хранят информацию, используя в качестве битов состояние элементарных частиц. Например, согласно классической теории, спин атомного ядра может быть направлен вверх или вниз. Но согласно странным законам квантовой механики, состояние ядра описывается не четким направлением вверх/вниз, а взвешенным сочетанием того и другого одновременно, то есть квантовые состояния причудливым образом как бы парят между двумя возможными реальными состояниями.
Ученых интригует тот факт, что по мере увеличения числа квантовых битов объем информации, требуемый для описания системы, растет экспоненциально. Если бы каждое атомное ядро имело всего два состояния, система из 500 ядер могла бы принимать 2^500 разных состояний. Но, согласно квантовой теории, такая система в любой момент времени представляет собой суперпозицию всех эти 2^500 возможных состояний сразу, а это сложнее любой классической системы, которую только можно вообразить. Так как 2^500 + гигантское число, значительно превышающее оцениваемое количество частиц во вселенной, ученые задаются вопросом, каким образом вселенной удается, тем не менее, управлять происходящими в ней естественными процессами. Но тот факт, что ей это все же удается, подает надежду на существование гигантских ресурсов для хранения информации.
Однако для большинства задач квантовые компьютеры не обещают повышения производительности по сравнению с обычными. Ученые смогли предложить специальные алгоритмы, использующие квантовые свойства материи для экспоненциального ускорения вычислений, лишь для отдельных случаев. Одним из примеров служит алгоритм Шора для поиска простых делителей больших чисел + у существующих компьютеров на решение этой задачи могут уйти годы, тогда как квантовый компьютер справился бы с ней в считанные минуты. В основе многих алгоритмов шифрования лежит сложность разложения больших чисел на простые множители. Пока алгоритм Шора + единственный квантовый алгоритм, имеющий практическое значение. Но представители DARPA на семинаре QuIST сказали, что они готовы финансировать проекты по поиску новых квантовых алгоритмов или определению пределов возможностей квантовых компьютеров. Пока ни один из построенных квантовых компьютеров не доведен до размеров применимого на практике устройства.
Шпионы-напарники
Квантовая криптография, как и квантовые вычисления, использует методы квантовой физики + в данном случае для защищенной передачи информации по оптоволоконным кабелям или через эфир. Но здесь используется другой закон квантовой физики, который гласит, что гнаблюдатьё квантовую систему, не влияя на происходящие в ней процессы, невозможно. Поэтому если секретная информация передается квантовыми методами, то посягательства на ее секретность легко обнаружить. Эта возможность + точно знать, что информация доставлена нетронутой + и привлекает NSA. Сейчас квантово-криптографические сигналы можно передавать по оптоволоконным кабелям или через эфир на расстояние в десятки миль. Требуются методы ретрансляции этих сигналов + без искажения и так, чтобы не казалось, что их кто-то перехватил.
Квантовая синхронизация часов позволяет сделать так, чтобы пара удаленных друг от друга атомных часов тикала как одни часы. Здесь используются методы, аналогичные методам квантовой криптографии. Представители NRO намекнули, что синхронизация часов применяется в спутниках-шпионах, но в подробности вдаваться не стали. Однако Доулинг пояснил, что этот метод может быть полезным для калибровки сигналов, поступающих от двух разведывательных спутников, и для систем глобального позиционирования.
Спутники-шпионы собирают информацию об объектах, облучая их светом. Обычно два спутника направляют лучи под разными углами. Отраженные сигналы вычитаются друг из друга, и их разность дает подробную информацию о форме объекта. Чтобы этот метод работал точно, лучи обоих спутников должны быть синхронизированы. Системы глобального позиционирования также используют информацию от двух спутников, находящихся на определенном расстоянии друг от друга. Существующие методы синхронизации этих систем приводят к ошибке в несколько метров.
Еще одна важная область применения для синхронизации часов, по словам Састри, это ускорение маршрутизации данных в интернете. В настоящее время данные, переносимые световыми лучами по оптоволоконным кабелям приходится преобразовывать в более медленные электронные сигналы. Но с переходом к полностью оптическому интернету, в котором пропускная способность маршрутизаторов будет гораздо выше, потребуется более точная синхронизация работы маршрутизаторов.
Все эти направления разработок пока далеки от практического применения, но они показывают, как квантовая теория может изменить способ обработки информации. Так что не удивительно, что разведывательные службы считают инвестиции в эти разработки стоящим делом.
 |