Кристина Армитаж/Quanta Magazine
автор: Бен Брубейкер
Однажды в октябре 1979 года Жиль Брассар плавал у берега отеля в Сан-Хуане, Пуэрто-Рико, когда к нему подплыл незнакомец и изменил всю его жизнь. Без каких-либо предисловий мужчина начал рассказывать о способе создания валюты, которую невозможно подделать. Схема была основана на законах квантовой физики — предмете, в котором Брассар, специалист по информатике, ничего не смыслил.
«Я оказался в ловушке, поэтому вежливо слушал», — сказал Брассар. Сомнения вскоре сменились интересом, когда он понял, что эта экзотическая схема «квантовых денег» на самом деле имеет отношение к серьезной науке. Эта невероятная встреча положила начало долгому и плодотворному сотрудничеству Брассара с его новым знакомым, физиком по имени Чарльз Беннетт. Их работа помогла дать толчок развитию квантовой информатики, стимулировала разработку новых технологий и открытие фундаментальных взаимосвязей между физикой и информатикой.
Беннетт и Брассар стали лауреатами премии А. М. Тьюринга — одной из самых престижных наград в области компьютерных наук — за «важнейшую роль в создании основ квантовой информатики и преобразовании систем безопасной связи и вычислений». Премия включает денежный приз в размере 1 миллиона долларов. В настоящее время в области квантовой информатики работают тысячи исследователей, но до середины 1990-х годов это было небольшое сообщество, чьи идеи часто отвергались сторонними наблюдателями. Беннетт и Брассар были одними из самых активных его сторонников.
«Они помогли сформировать культуру этой группы, которая в то время находилась на стыке физики и информатики», — сказал Джон Прескилл — квантовый физик из Калифорнийского технологического института. Их влияние на квантовую информатику было «огромным», считает Скотт Ааронсон — специалист по информатике из Техасского университета в Остине. «Они работали в этой области еще до того, как квантовые вычисления стали самостоятельной дисциплиной».
Новый вид денег
Беннетт и Брассар не случайно оказались на одном и том же пляже в Пуэрто-Рико почти 50 лет назад. Оба присутствовали на конференции по теоретической информатике, но пути, которые привели их туда, были совершенно разными. Брассар родился в Монреале в 1955 году. Еще в начальной школе он изучал высшую математику под руководством старшего брата и в 13 лет поступил в колледж. В 1979 году, когда ему было всего 24 года, он защитил докторскую диссертацию и начал преподавать в Монреальском университете. Он отправился на конференцию в Пуэрто-Рико, чтобы представить результаты своих исследований в области математических основ криптографии.
Путь Беннетта был более извилистым. Он родился в Нью-Йорке в 1943 году, поступил в колледж, намереваясь изучать биохимию, но в итоге занялся научными исследованиями в Гарвардском университете на стыке химии и физики. Со временем его все больше интересовала связь между физикой и вычислениями, хотя в то время эти две науки считались практически не связанными между собой.
В конце 1960-х годов, когда Беннетт работал над докторской диссертацией, его друг Стивен Визнер часто наведывался в то, что Беннетт называл своим «общинным домом хиппи» в Бостоне. Во время одного из таких визитов Визнер принес черновик статьи о радикально новом применении квантовой физики — схеме квантовых денег, с помощью которой Беннетт десять лет спустя застал врасплох Брассара.
Идея Визнера была продиктована одним из важнейших требований к любой валюте: создать убедительную поддельную банкноту должно быть очень сложно. Недостаточно присвоить каждой купюре уникальный серийный номер, если в принципе любой может прочитать его и скопировать. Поэтому правительства прибегают к сложным технологиям, чтобы предотвратить подделку. Визнер понял, что законы квантовой физики могут предложить новое решение проблемы фальшивомонетчиков. Его схема основана на странной особенности квантовых измерений: попытка измерить частицу может привести к ее непредсказуемому искажению, стирающему всю информацию о состоянии, в котором она находилась до измерения. Этого искажения можно избежать, если правильно выбрать метод измерения, но только в том случае, если у вас уже есть частичная информация о начальном состоянии частицы. Каждая из гипотетических квантовых банкнот Визнера будет содержать группу частиц в разных квантовых состояниях. Эти частицы будут кодировать биты уникального серийного номера. Потенциальному фальсификатору нужно будет измерить каждую частицу в группе, не нарушив ее состояния, чтобы узнать этот серийный номер и создать дубликат. Если в группе всего несколько десятков частиц, успех практически гарантирован. Помехи при квантовых измерениях, которые обычно доставляют неудобства, послужат защитой от посторонних.
В начале 1970-х Визнер внезапно оставил исследования в области физики и примкнул к калифорнийской контркультуре, а его революционная статья оставалась неопубликованной почти 15 лет. Позже Визнер обратился к религии, переехал в Израиль и стал строителем. Он умер в 2021 году Тем временем Беннетт устроился на работу в IBM, где разработал новую теорию обратимых вычислений. Но он не мог выбросить из головы идею Визнера. Десять лет он безуспешно пытался заинтересовать ею других исследователей, пока не встретил Брассара в Пуэрто-Рико.
Квантовые Секреты
В тот судьбоносный день, пока они качались на волнах, Брассар указал на очевидную проблему, связанную с квантовыми деньгами. Подделать банкноты было бы невозможно, но и использовать их было бы сложно, поскольку только тот, кто создал купюру, мог бы проверить ее подлинность. Брассар предположил, что эту проблему можно решить, объединив схему Визнера с методами криптографии. К тому времени, как через 10 минут они вернулись на берег, они уже определились с ключевыми идеями того, что впоследствии стало их первой совместной статьей. После той первой встречи Беннетт и Брассар время от времени навещали друг друга, чтобы обменяться идеями. Они могли уделять лишь ограниченное количество времени своему общему интересу — малоизученной области квантовой информации.
Криптографы открыли новую основу для квантовой секретности квантовая криптография Криптографы открыли новую основу для квантовой секретности 3 июня 2024 года
«В те времена это не было основной работой», — сказал Беннетт. Ученые задумались, можно ли использовать возмущения при квантовых измерениях для защиты секретных сообщений от прослушки. Криптографам уже была известна одна схема шифрования, которая в принципе была абсолютно безопасной. Но она требовала, чтобы отправитель и получатель, которых обычно называют Алисой и Бобом, встретились лично и выбрали длинную последовательность случайных битов для использования в качестве секретного ключа шифрования. Более того, для каждого нового сообщения нужно было использовать отдельный ключ. Эти ограничения были слишком обременительными для большинства приложений. Более практичные схемы шифрования позволяли обойтись без личных встреч, но основывались на недоказанных предположениях о сложности решения некоторых математических задач.
В 1983 году Беннетт и Брассар разработали новый квантовый подход к конфиденциальной коммуникации. Согласно их схеме, известной как BB84, Алиса и Боб должны были создать общий секретный ключ, отправляя и измеряя фотоны — квантовые частицы, из которых состоит свет, — без необходимости личной встречи. Затем они могли использовать этот ключ для шифрования сообщения. В этом методе снова использовалось нарушение квантовых измерений: любой злоумышленник, пытавшийся подслушать квантовую передачу, нарушал ее, ничего не узнавая и тем самым выдавая свое присутствие Алисе и Бобу. Кроме того, он не основывался на каких-либо математических допущениях. Даже тот, кто мог бы волшебным образом решить самые сложные математические задачи в мире, не узнал бы секретный ключ.
Телепортируясь Вперед
Статья Беннетта и Брассара о квантовом распределении ключей стала одной из самых известных работ в области квантовой информатики. Но в то время на нее мало кто обратил внимание. Поэтому в конце концов ученые решили провести экспериментальную демонстрацию. «Я хотел показать, что это возможно, что это не просто бред теоретика», — сказал Брассар.
Они существовали задолго до появления квантовых вычислений как отдельной области. — Скотт Ааронсон
Не имея бюджета и опыта в экспериментальной физике, команда Беннетта и Брассара была вынуждена импровизировать. В какой-то момент Беннетт и его коллега Джон Смолин купили в магазине тканей кусок черного бархата, чтобы блокировать рассеянный свет, и сказали растерянному продавцу, что он нужен им для квантовой криптографии. (Позже Беннетт сделал из этого бархата шляпу.) Наконец, в октябре 1989 года, ровно через 10 лет после первой встречи Беннетта и Брассара в Пуэрто-Рико, эксперимент удался. Их устройство продемонстрировало квантовое распределение ключей на расстоянии 30 сантиметров. В более поздних демонстрациях с использованием спутниковой связи этот метод был реализован на расстоянии более 1000 километров.
В 1993 году Беннетт, Брассар и еще четверо исследователей опубликовали еще одну культовую статью, в которой показали, как использовать странное квантовое явление, называемое квантовой запутанностью, для «телепортации» состояния одной квантовой частицы на другую. (Хотя название наводит на мысль о том, что капитана Кирка телепортируют на «Энтерпрайз», квантовая телепортация передает только информацию, а не материю.) Это был один из первых примеров того, как квантовая запутанность может служить ресурсом для обработки информации. К тому времени квантовая информатика уже начала привлекать к себе внимание. Настоящий бум произошел год спустя. Цифровое шифрование часто основывается на предположении, что компьютеру сложно разложить большое число на простые множители. Но в 1994 году математик-прикладник Питер Шор разработал квантовый алгоритм, который позволял быстро разложить число на простые множители. Этот выдающийся результат подчеркнул важность квантовых методов шифрования, которые не требуют предположений о математической сложности задачи.
«Алгоритм Шора сделал нашу идею неизбежной», — сказал Брассар.
За 30 лет, прошедших с момента открытия Шора, интерес к квантовой информатике и инвестиции в эту сферу резко возросли. Исследователи стремились создать мощные квантовые компьютеры и обнаружили связи с на первый взгляд не связанными между собой темами фундаментальной физики. Кроме того, возрос интерес к квантовой криптографии. Еще несколько лет назад исследователи считали, что квантовые технологии применимы только для решения нескольких специальных криптографических задач, таких как распределение ключей. Однако недавняя работа дала многообещающие намеки на то, что возможности квантовой криптографии могут быть гораздо шире. Беннетт и Брассар с интересом следят за этими новыми разработками.
«Это очень интересная идея, — сказал Беннетт. — Возможно, это квантовый способ избежать квантовой катастрофы, связанной с алгоритмом Шора».
источник: https://www.quantamagazine.org/quantum-cryptography-pioneers-win-turing-award-20260318/