Знание-сила, 2007 № 09 (963)

Теперь возникает вопрос: в чем ограниченность классической теории передачи информации? Ограниченность очень существенная для нашей эпохи, а именно: информация должна быть защищена, а классическая теория не гарантирует защищенности при используемых в настоящее время процессах передачи информации. Естественно, я здесь имею в виду не только правительственную связь и какие-то коммерческие тайны, но и важную банковскую информацию, считывание и передачу данных из банкоматов и так далее, когда любая информация должна быть защищена от несанкционированного доступа.

От Юлия Цезаря до наших дней

В классической теории передачи информации существует серьезная проблема: нет гарантии того, что третье лицо эту информацию несанкционированно не прочитает. На наше счастье, есть очень интересная наука криптография, истоки которой лежат в античных временах. Еще Юлий Цезарь разработал криптосистему, чтобы передавать войскам секретную информацию. Но все используемые в настоящее время на практике криптосистемы отнюдь не безопасны. Еще никто не доказал, что не существует алгоритма, способного взломать самые секретные коды. А при постоянной опасности терроризма все это становится принципиально важным.

При пересылке закодированных сообщений самое главное — передать секретный ключ от отправителя получателю, только с ним можно будет раскодировать сообщение. В квантовой информатике кодирование информации производится не классическими битами, а квантовыми битами (кубитами). При этом компьютер — это прибор обработки информации, а квантовый компьютер — прибор обработки квантовой информации. И элементы квантовой информации — кубиты, которыми можно кодировать обычные биты информации, — можно передавать, например, как поляризованные фотоны, по обычным оптоволоконным линиям. Но третье лицо хочет не просто несанкционированно считать информацию, оно хочет быть при этом невидимым. А квантовая криптография, которая начала развиваться около 20 лет назад, показала, что при передаче информации квантовыми частицами, в силу законов квантовой механики, любое вмешательство в квантовое состояние — суперпозицию классических — приводит к разрушению квантового состояния и тем самым к разрушению передаваемой информации. Таким образом, подобное вмешательство просто разрушает канал связи и прочитать информацию третье лицо не сможет. При этом получатель будет знать о попытке взлома. То есть законы квантовой механики при правильной организации делают передачу информации абсолютно защищенной.

Даешь фантастику в жизнь!

Сегодня это остается фантастикой. Пока передача квантовой информации через обычную оптоволоконную линию ограничена расстоянием до 200 километров (в сентябре прошлого года установлен рекорд расстояния — 184,6 километра при передаче секретного ключа по оптоволоконной линии), но на таком расстоянии эта фантастика уже воплощена в жизнь: разработано специальное оборудование, производимое по крайней мере двумя фирмами, которое активно покупается банками. Значение этого факта не стоит преуменьшать: в крупных городах передать конфиденциальную информацию между филиалами одного банка так же важно, как между городами или странами. А по классическим каналам связи — телефонным или компьютерным, это, как известно, делать небезопасно.

То, что уже работает на практике, так называемый квантовый протокол, разработанный в 1984 году, сегодня успешно развивается. Есть, конечно, трудности: по законам квантовой механики нельзя усиливать сигнал в процессе его передачи, поскольку нельзя клонировать неизвестное квантовое состояние. Таким образом, мы имеем те же, что и в классической теории информации, три ступени: переносчики — кубиты информации, обработка — воздействие на них какими-то физическими полями, переводящими квантовые регистры из одного квантового состояния в другое, а считывание информации — это их измерение. В экспериментальном изучении процесса измерения, благодаря квантовому компьютингу и квантовой информатике, в последнее время достигнут заметный прогресс. Это фундаментальный и очень сложный процесс — взаимодействие квантовой системы с классической. Здесь еще много открытых вопросов, но квантовая информатика открывает совершенно неожиданные перспективы.

Эти поразительные перепутанные состояния

Есть еще одно квантовое явление, которое именно в теории информации играет первостепенную роль. Это так называемые перепутанные или сцепленные квантовые состояния. Оказывается, квантовые системы могут находиться в такой сильной корреляции состояний, что воздействие на одну частицу «почувствуют» все остальные независимо от того, на каком расстоянии они находятся друг от друга. Эйнштейн не принял это положение и вместе с Розеном и Подольским в 1935 году сформулировал известный парадокс, связанный со сцепленными состояниями. Это очень трудная задача — понимание теории таких состояний, даже для экспертов она представляет большую трудность.