Квантовый центр на Темзе
АрхивАртур Экерт (Artur Ekert), директор Оксфордского Центра квантовых вычислений - о взаимодействии науки, промышленности, бизнеса, армии и разведки в исследованиях по квантовой информатике.
Артур Экерт (Artur Ekert), директор Центра квантовых вычислений (Centre for Quantum Computation) Оксфордского университета, дал мне интервью буквально через несколько часов после прибытия из Вашингтона. А в Вашингтоне он, по его словам, «лоббировал», понимая под этим переговоры с научными, промышленными и правительственными организациями, действительными и потенциальными партнерами Центра по исследованиям и разработкам в области квантовой информатики.
Артур, специалисты вас знают как автора квантового протокола E91 (Е - от Ekert), а вы, оказывается, переквалифицировались в научного менеджера?
- Я - менеджер поневоле. Я где-то читал, что лучший менеджер - тот, которого не видно, и стараюсь быть невидимым. Мое любимое дело - физика, а нынешняя должность называется «временный директор» (acting director). Когда Центр станет полностью самостоятельной организацией в рамках Оксфордского университета, мое первое распоряжение будет таким: должность директора каждый год должен занимать новый человек. Такое правило есть во многих университетах, ведь никто не хочет жертвовать научной карьерой. Да и глупо делать карьеру менеджера в университете! Если вы умелый менеджер и физика не главное в вашей жизни, то в бизнесе вы без труда заработаете столько, сколько в университете вам и не снилось, причем с куда меньшими усилиями.
Как же получилось, что вы стали директором?
- Просто я однажды сделал первые шаги по объединению людей, которые порознь занимались квантовой информатикой. Я приехал в Оксфорд писать диссертацию по квантовой криптографии в 1988 году. Моим руководителем был Дэвид Дойч (David Deutsch), он тогда развивал свою теорию об универсальном квантовом вычислителе. Но меня больше интересовали не вычисления, а связь. В частности, защищенные линии связи. Задачей, которую я ставил и решал в диссертации, было квантовое распределение ключей. Я использовал для этой цели один из фундаментальных эффектов квантовой механики - так называемые связанные состояния (entangled states). Свойства этих состояний парадоксальны, они относятся к сложным, принципиальным вопросам квантовой теории. В частности, Эйнштейн использовал именно их для критики основ квантовой механики. Размышление над тем, как использовать эти свойства для защиты информации, и привели меня к созданию квантового протокола обмена ключами. А когда теоретическая работа была сделана, я убедил Джона Рарити (John Rarity) и Пола Тапстера (Paul Tapster), двух экспериментаторов, которые работали на правительственное агентство DERA (Defence Evaluation and Research Agency), занимающееся исследованиями для военных, поиграть с квантовой криптографией. Мы сконструировали первую британскую экспериментальную установку, и она была построена в DERA.
Все это происходило в 1992-93 годах. Я тогда защитил диссертацию и получил в Оксфорде позицию исследователя на три года. Как-то незаметно образовалась небольшая группа людей, занимавшихся квантовой информатикой. Сначала мы назывались группой квантовых вычислений и криптографии. Мы - это Дэвид Дойч, я, Адриано Баренко (Adriano Barenco) и еще несколько человек. Потом группа стала расти, так как область становилась все более популярной. В это время мы занимались экспериментальной реализацией квантовых логических гейтов, и оказалось, что нужная технология есть именно здесь, в Оксфорде. Тогда приехали Эндрю Стин (Andrew Steane) и Джонатан Джонс (Jonathan Jones), занимавшиеся ядерным магнитным резонансом. Точный момент создания центра трудно указать - это произошло как-то само собой. Просто однажды мы все решили объединить наши ресурсы. Ну вот, а сейчас я пытаюсь лоббировать интересы Центра. Это не так трудно на глобальном уровне, потому что нас, в общем-то, знают уже давно. Гораздо труднее здесь, в Оксфорде, все организовать - помещения, компьютеры. Кларендонская лаборатория (Clarendon Lab.), частью которой мы являемся, имеет очень старую инфраструктуру. Но через годик, я думаю, все необходимое у нас будет.
В России сейчас подавляющее большинство групп, занимающихся прикладной наукой, финансируются за счет контрактов с промышленными фирмами (почти исключительно западными - считая Западом также Японию и Корею). Расскажите, пожалуйста, подробнее, как организовано такое сотрудничество у вас в Центре. В частности, может ли Центр самостоятельно продавать свою интеллектуальную собственность?
- Мы - часть Оксфордского университета, а в нем уже давно создана специальная фирма Isis innovations, которая решает все вопросы с интеллектуальной собственностью. У нас в Центре пока нет готовой продукции для продажи - но мы активно работаем с компаниями. Мы можем открыть и собственную фирму - но сейчас вряд ли можно говорить о получении прибыли за счет исследований по квантовому компьютингу. Другое дело, квантовая криптография. Это - практика, эксперимент. Однако даже здесь пока не ясно, существует ли рынок для систем, использующих квантовые каналы и протоколы, - они очень дороги. Промышленность смотрит на нас примерно так: в принципе все это очень интересно. Через 10-12 лет технология электронных устройств позволит достичь квантового уровня, и надо знать, что можно делать на этом уровне. То есть заказчика не интересует наш продукт, которого, как он знает, сейчас нет. Его интересуют наши знания, его интересуют кадры, которые мы подготовим. Это самый дешевый способ для фирм использовать наши достижения. Крупные международные корпорации не хотят открывать настоящий исследовательский центр в этой области, потому что это очень дорого (зарплаты исследователей огромны, оборудование дорогое) и довольно рискованно - не вполне ясно, что получится. Поэтому фирмам гораздо удобнее предложить нам так называемое технологическое присутствие (technology watch). Они говорят университету: мы дадим деньги на оборудование, на зарплату постдока [1], на стипендию студента или аспиранта, а вы взамен просто держите нас в курсе работ. То есть они получают доступ к экспертизе, узнают обо всем новом, - и когда придет время крупных инвестиций в эту область, они будут на месте.
Вот так мы и работаем с фирмами. Например, есть такая итальянская компания Elsag. Там занимаются автоматизацией в самом широком смысле слова, и они были одними из первых, кто осознал важность наших работ. Джузеппе Кастаньоли, один из директоров Elsag, серьезно интересуется квантовой механикой, и однажды, вместо того чтобы спонсировать очередную выставку современного искусства, он решил поддержать науку. Компания провела в Турине серию рабочих встреч по квантовым вычислениям, причем еще до открытия алгоритма Шора квантовой факторизации, то есть до бума квантовых вычислений. И я считаю, что и этот алгоритм, и другие важные вещи, возможно, не были бы созданы без этих встреч в Турине. То есть компания сыграла очень серьезную роль в развитии квантовой информатики. Сейчас мы переходим к более тесному сотрудничеству с Elsag, итальянское правительство будет спонсировать эти работы. Другая важная для нас фирма - Hewlett-Packard, ее представители приехали в Оксфорд и предложили нам деньги на оборудование в обмен на технологическое присутствие.
Вы говорите о квантовых вычислениях. А по квантовой криптографии с кем вы работаете?
- Например, с British Telecom - но это уже не технологическое присутствие, речь идет об экспериментальных защищенных линиях связи нового поколения. Еврокомиссия решила поддержать два международных проекта в Европе, чтобы понять, может ли кто-нибудь предложить решение на уровне промышленного прототипа. В одном из них мы участвуем.
Центр полностью существует на деньги от таких контрактов?
- Нет, финансирование идет из нескольких источников. Во-первых - университет. Он обеспечивает основную инфраструктуру (помещение, электричество и т. п.) и зарплаты для трех-четырех сотрудников. Например, мне зарплату платит университет, точнее, Королевское общество (Royal Society [2]) через университет. Другие зарплаты идут по исследовательским грантам: постдоки, аспиранты, иногда даже приглашенные ученые живут на гранты от международных и национальных фондов (например, в Великобритании есть фонд EPSRC - Engineering and Physical Sciences Research Council). Есть гранты от промышленности, от правительства, вот из этого и складывается наше финансирование.
Вы сотрудничаете с военными, со спецслужбами?
- Наша тематика связана с защитой информации. Насколько я знаю, в мире сейчас два правительственных агентства, проявляющих серьезный интерес к квантовой обработке информации. В Штатах это АНБ (NSA, National Security Agency), в Британии аналог NSA - GCHQ (Government Communications Headquaters), где есть давняя традиция хорошей криптологии. Вы знаете, что Алан Тьюринг работал на GCHQ. Теперь они не так засекречены, работают не только на правительство, но и на промышленность. Их интересуют перспективы квантовых вычислений и квантовой криптографии. Чтобы быть в курсе, они финансируют у нас одного аспиранта - каждые три года мы объявляем конкурс на эту стипендию. Но строго говоря, это финансирование идет от коммерческой части GCHQ, точнее, ее «сестринской компании» - CESG (Communications and Electronics Security Group). Сейчас модно устраивать такие компании при правительственных агентствах и предоставлять различные услуги - на том же уровне и выполняемые, возможно, теми же людьми, но для другого рынка. Это техническое присутствие, но когда дело дойдет до прототипов - неясно, в какой степени будет участвовать GCHQ. По неким историческим причинам GCHQ относится к Министерству иностранных дел (Foreign Office). А у Минобороны есть другой кластер исследовательских учреждений - DERA, о котором я уже говорил. Первые британские прототипы защищенных линий связи, использующих квантовые каналы и протоколы, были сделаны там, а потом в Агентстве стали заниматься совсем другими вещами и передали эту тематику British Telecom. Но DERA, если понадобится, несомненно, имеет все возможности создать такие системы. Мы тесно сотрудничаем с DERA и GCHQ, с British Telecom, к сожалению, - не так тесно.
А какие права технологическое присутствие дает на интеллектуальную собственность?
- В контракте между Оксфордским университетом и, например, GCHQ есть пункт об интеллектуальной собственности, где говорится, что университет является ее владельцем. А спонсор - GCHQ или другое правительственное или промышленное учреждение - имеет право первым получить доступ к технологии. Это дает преимущества перед конкурентами.
То есть компания, даже если она финансировала исследования, все равно будет платить университету за доступ к технологии?
- Да.
[i37320]
1 (обратно к тексту) - Постдок (postdoc) - рабочая лошадь западной науки, свежезащитившийся PhD, то есть кандидат. Л.Л.-М.
2 (обратно к тексту) - Аналог нашей Академии наук. Л.Л.-М.
Есть у вас связи с финансовыми компаниями, с банками?
- Прямых - пока нет. Но сейчас мы пытаемся создать консорциум, в который входили бы несколько банков из Сити, Оксфордский университет, British Telecom, DERA и еще несколько организаций, чтобы сделать прототип системы защищенной связи. Идея в том, чтобы этот прототип работал в финансовых системах передачи данных параллельно с обычными криптосистемами - просто чтобы испытать его в реальной обстановке. Но пока для этой технологии явно не готово место на рынке. Например, на этих линиях пока нельзя построить сети, обеспечивается всего лишь защищенная связь между двумя точками.
Вообще, с защитой информации сейчас совсем другая ситуация, чем десять лет назад. Во времена холодной войны и железного занавеса было ясно, кто враг, а кто друг. Тогда военная криптология имела большое значение. Сегодня она нужна для защиты не от врагов, а от друзей, которым вы не доверяете. Например, вы ведете деловые переговоры и хотите иметь возможность оценить некоторые вещи на основе секретных сообщений, присылаемых вам. Или я хотел бы поделиться с вами своей информацией - но только частично. Для всех этих и многих других задач хорошо работают обычные криптопротоколы, но неясно, как для них будет работать квантовая криптография.
В общем, к работе надо подключить еще одну команду: людей, которые занимаются исследованием рынка и находят потенциальных заказчиков. Когда мы будем обладать уникальной экспертизой в производстве устройств, для которых имеется существенный рынок, тогда, я уверен, появится энергичная компания, которую создадут мои коллеги и я, и которая попробует извлечь пользу из такой ситуации. Но сейчас этим заниматься слишком рано.
|
Слева направо: 1 ряд: Чарльз Беннетт, Саймон Финикс, Пол Квят, Массимо Пальма, Нобу Имото, Джон Рарити, Люсьен Харди. 2 ряд: Дэвид Дойч, Уели Маурер, Бруно Хаттнер, Стив Барнетт, Ричард Джозса, Артур Экерт, Беатрис Экерт 3 ряд: Бен Шумахер, Родни Лоудон, Пол Таунсенд, Андре Бертийом, ?, Эшер Перес, Пол Тапстер |
Существуют ли «закладки» для квантовых каналов? Что, если GCHQ встроит в ваш протокол нечто такое, что для них эти каналы станут прозрачными?
- Нет, мы считаем, что в квантовой криптографии это невозможно. Может быть, это большая проблема для многих национальных спецслужб - потому что они нужны до тех пор, пока действительно могут взломать каналы связи. Но насколько мы понимаем, квантовые каналы взломать по-настоящему невозможно. И это не вопрос времени, как не раз бывало в истории криптологии. Здесь придется нарушить законы физики - что невозможно - или открыть некую новую физику, используя какие-нибудь тонкие эффекты, до сих пор неизвестные. Сейчас ситуация с квантовой защитой данных такова. С одной стороны, есть квантовая криптография (уже работает), с другой стороны - квантовые компьютеры (пока не работают). Кроме того, есть классические криптосистемы и криптосистемы с открытым ключом. Квантовые компьютеры могут взломать криптосистемы с открытым ключом. Но разрушая эти системы, квантовая механика дает вам взамен квантовую криптографию, а она очень сильна, ибо даже квантовый компьютер не может ее взломать.
Это строго доказано?
- Настолько, насколько это возможно, - да. Но, разумеется, при некоторых предположениях. Например - что законы квантовой механики таковы, как мы думаем. Или, в случае нашего квантового протокола, - что вы имеете доступ к так называемому публичному каналу (broadcast channel), который все могут слушать, но никто не может изменить (как объявление в газете). Есть еще интерфейс между квантовой линией и классическим компьютером, который тоже должен быть защищен, а на практике это труднее всего. Ведь и сегодня криптосистемы взламывают, но не потому, что кто-то научился факторизовать большие числа.
Когда могут появиться первые прототипы систем связи, о которых вы говорили?
- Прототипы уже есть. Если нужно, тестовую линию связи можно сделать за неделю. Но потом год-два, не меньше, ее придется испытывать и тестировать в реальных условиях, собирать статистику и т. п. Лишь после этого мы сможем сказать нечто определенное о реальных характеристиках такой системы.
Где вы думаете прокладывать эти линии в первую очередь - в Лондоне?
- Наша группа предполагает работать в Сити. В Женеве есть очень сильная группа, которую возглавляет Никола Жизен (Nicola Gisin), они хотят реализовать аналогичный проект в районе Женевы.
И это будут первые такие коммерческие системы в мире?
- Видимо, да. И это может произойти через год, если все участники предполагаемого консорциума придут к соглашению.
А военные системы защищенной связи на квантовых каналах и протоколах уже существуют?
- Я не думаю. Потому что не видно подходящих задач для таких систем. Дальность сейчас ограничена 30-40 километрами. Это хорошо для локальной связи, но мало для дальней. Есть проекты квантовых каналов связи через спутник, где сигнал передается с помощью лазера прямо через атмосферу, но все они пока на исследовательской стадии. Этим занимается Лос-Аламос, DERA, возможно, и мы пойдем в том же направлении.
Ваша система будет работать по обычным оптоволоконным каналам?
- Да, этот выбор мы сделали с самого начала, что имеет очевидные плюсы, хотя и снижает скорость работы при распределении ключей.
Каков ваш прогноз на дальнейшее развитие квантовых вычислений?
- Думаю, будет устойчивый прогресс в экспериментальной области. И лет через пять мы сможем надежно управлять 5-20 квантовыми битами. Но никакой факторизации на таких компьютерах сделать будет нельзя. А вот многое другое - можно. Что именно, я не знаю, предвидеть это невозможно. Даже Чарльз Бэббедж в 19 веке вряд ли мог догадаться о современных применениях компьютеров. О компьютерных играх, например. В работе над квантовым компьютером сейчас важнее путь к цели, чем сама цель. Развитие этой области влияет на очень многие отрасли техники и науки. В общем… есть такой исторический анекдот. Однажды чиновники спросили Майкла Фарадея, для чего нужно электричество, и он якобы сказал: пока не знаю, но я уверен, что лет через двадцать правительство обложит его налогом!
Есть ли в Европе центры, аналогичные вашему?
- Наш появился первым в Европе и, вероятно, в мире. В Великобритании мы единственная группа, где есть и теория, и эксперимент. Хороших чисто теоретических групп - две, в Бристоле и в Империал Колледж в Лондоне. Есть хорошие группы в Австрии (в Инсбруке) - где была предложена модель квантовых вычислений на основе ионной ловушки (ion trap).
На какой технологии могут быть сделаны через пять лет компьютеры на 20 кубит?
- Ионные ловушки или твердое тело - одно из двух.
Вы знаете о работах московского физика Алексея Китаева? Он предложил еще одну идею реализации квантовых вычислений, использующую гипотетические объекты - анионы…
- Да, я знаком с работами Китаева (он сейчас в исследовательском центре Microsoft) - но никто пока не знает, возможна ли физическая реализация этого подхода. Однако его идеи имеют весьма позитивное значение, стимулируя новые подходы. Мы, например, предложили так называемое геометрическое вычисление, которое основано на некоторых геометрических, топологических свойствах квантовых состояний в пространстве Берри. Но Китаев идет гораздо дальше. Если окажется реализуемым то, что он имеет в виду, это окажет колоссальное воздействие на развитие квантовой информатики.
