Квантовите изчисления са технология от бъдещето

Акад. Чавдар Станоев Руменин получава степените магистър, доктор и доктор на науките по полупроводникова електроника и сензорика от Софийския университет и Техническия университет в София. Понастоящем е професор по сензорика, роботика и изкуствен интелект в Института по роботика при БАН. От 1999 г. до 2018 г. е негов директор, от 2018 г. е ръководител на Националния център за компетентност „Квантова комуникация, интелигентни системи за сигурност и управление на риска” QUASAR, понастоящем е също зам. директор на Института по роботика – БАН. През 2004 г. е избран за член-кореспондент, а от 2012 г. – за академик на БАН. Публикувал е над 400 статии и монографии. Съгласно световната организация за интелектуална собственост WIPO Ч. Руменин е най-изявеният с повече от 170 изобретения по сензорика и роботика. Неговите цитирания надхвърлят 21 000. Изследователските му интереси са в микро- и наносензориката на нови принципи, роботиката, квантовите компютри, безпилотните летателни системи и др. Ч. Руменин е създател на новата генерация микросензори за магнитно поле, известни като сензори с равнинна чувствителност, вече произвеждани от водещи заподноевропейски фирми. Участва в ключовите публикации в Science и Physics Letters B, доказващи съществуването на Х-бозона, за което видните учени П. Хиггс и Ф. Енглерт получават Нобеловата награда през 2013 г. Съавтор е на две нови закономерности – „Магнитноуправляем повърхностен ток в проводящите материали“ и „Генерация на микрочастици при високи едноосни деформации в твърдотелни структури“, на чиито основи са създадени повече от 40 изобретения. Член е на управляващия Борд на международния комитет Eurosensors и на Издателския съвет и редколегията на международното списание Sensors and Actuators. Признат е за „Почетен изобретател на България“, името му е вписано в „Златната книга на българските откриватели и изобретатели“. Експерт консултант е в множество европейски и национални институции и фирми, включително щабквартирата на НАТО в Брюксел. През 2019 г. е удостоен с орден „Св. св. Кирил и Методий“ златен, и е носител на множество международни и национални награди за научните си постижения.

Economy.bg се свърза с акад. Руменин, за да ни разкаже повече за старта на изграждането на единната квантово-комуникационна структура у нас, която е част от европейската такава. Говорихме също така за мястото на България в квантовите технологии, тяхното развитие и какво да очакваме в бъдеще.

Какво представлява инициативата на ЕК EuroQCI?
Класическата форма за предаване на данни в електронен вид са добре известните от времето на Николо Тесла радиовълни (микровълни). Чрез приложение на специфични алгоритми за тяхното генериране, модулиране и приемане се постига конфиденциалност на предаваната и получаваната информация. Тази технология е доведена практически до съвършенство, независимо че съществуват проблеми от принципен характер. Например в случай на ядрен взрив в резултат от „гъбата“ няколко дни е практически невъзможна радиокомуникацията. Същото се отнася при крупни, по-големи от 6-а – 7-а степен земетресения. При нагъването/преместването на тектоничните плочи освобождаваната енергия, еквивалентна на десетки атомни бомби, се съпровожда с мощно широкоспектърно паразитно радиоизлъчване. В резултат няколко часа комуникацията е твърде усложнена или невъзможна.
В допълнение следва да се подчертае, че съвременните изчислителни способности, дори на суперкомпютрите, правят киберзащитата все по-трудна и неефикасна при неоторизиран достъп. Ето защо през 2020 г. Европейската комисия стартира стратегическата инициатива EuroQCI – изграждане на международна квантово-комуникационна инфраструктура. В нея участват всички държави членки на Съюза. Инициативата е насочена към реализиране на единна комуникационна мрежа от ново поколение, гарантираща киберсигурността и комуникационния суверенитет на ЕС.
Дейностите в това направление се осъществяват чрез програмите „Дигитална Европа“ и „Свързана Европа“. Инициативата EuroQCI ще защити чувствителни данни и критични инфраструктури чрез интегриране на квантово базирани системи, осигуряващи допълнителен защитен слой, основан на квантовата физика. Тази технология ще засили защитата на европейските правителствени институции, техните центрове, болници, банки, енергийни мрежи, служби за сигурност и др., превръщайки се в стратегия на ЕС за киберсигурност за следващите десетилетия. Ето защо преди една седмица в Института по роботика (ИР) при БАН съвместно с Националния център за компетентност QUASAR и всички наши партньори беше стартиран българският национален план за изграждане на квантово-комуникационна мрежа. 

Защо квантовите технологии са по-сигурни за киберзащита?
Квантовата механика, принципите на която са заложени и в квантовата криптография, управлява света на атомите и елементарните частици. В тази среда са в сила необичайни закони. В популярна форма те биха могли да се представят така. Енергията на частиците, включително и на фотоните, има дискретен характер. Това означава, че предаването на енергията не е аналогово, т.е. процесът не е непрекъснат, а става на определени порции. Това са въведените от Макс Планк кванти.
Друга особеност е дуализмът – елементарните частици са едновременно и вълни, и частици в зависимост от скоростта (енергията) на движение. Това откритие принадлежи на Луи де Бройл. Според мен това е най-иновативната идея, генерирана от човешката цивилизация. И още едно чудо в поведението на квантовите обекти – това е неопределеността или вероятностният характер на състоянията им, регламентирана от добре известната пси-функция на Вернер Хайзенберг. Именно тези „противоречащи“ на т.нар. здрав разум факти нямат аналози в класическата физика. В нашия случай се използват квантовите свойства на фотоните за кодиране на информацията. Свикнали сме, че ако се иска измерването на определен параметър, използваме съответната апаратура и метод, и практически не се променя самата измервана характеристика при този процес.
В квантово-механичните системи обаче отсъства такава „очевидност“. Преди да бъде регистрирана елементарната частица, в нашия случай фотонът, той съществува в суперпозиция, т.е. в комбинация на всички негови възможни квантови състояния, всяко със съответната вероятност (неопределеност). Процедурата за измерване „избира“ едно от това множество състояния. Фактически измерването предизвиква смущение, което е указание, че е осъществено вмешателство/въздействие в квантовата система. И е прав американският учен Ричард Файмън, като казва, че „в квантовата механика отсъства навика – ама аз само за малко ще погледна и ще измеря“.
Следователно не е възможно a priori да се копира произволно неизвестно квантово състояние на фотона, т.е. отсъства възможността за клониране или идентифициране на носената от него информация в оптичния кабел. Описаният феномен включва и т.нар. квантово сплитане или сдвояване, известно още като свързаност на фотоните. Бихме могли да си представим това важно свойство на квантово-механичните системи като състояние, при което всеки сплетен фотон е във връзка с отделните компоненти на множеството други сплетени фотони на системата независимо от разстоянието помежду им.
Казано образно, два фотона – единият на Земята, а другият в края на Галактиката, са идентични и си взаимодействат на квантово ниво чрез своите състояния, или както се казва – осъществена е „телепортация“. Така стигаме до уникалната сигурност на квантовата технология за киберзащита. Например, ако състоянието на фотоните бъде „измерено“, т.е. има вмешателство или налице е подслушване, казано популярно, информацията се копира, тази нерегламентирана процедура води до съществено смущение на първоначалния сигнал. Това е в резултат на описаната особеност, че „измерването“, т.е. подслушването, променя драстично квантовото състояние на системата. Тази намеса лесно се открива, което е задължителна част от протокола за квантовото споделяне на секретни ключове. В случай на вмешателство има два подхода.
Първият е да се преустанови транслацията на информация. Вторият обаче е по-коварен – предаването на данните продължава, обаче с фалшив заблуждаващ реверс. Описаната квантова криптография е революционна, а не просто иновативна технология за генериране на секретни ключове. Тези ключове са абсолютно случайни и от тях не може да се извлекат данни. Това е коренно различно от класическата криптография, където сигурността се основава на сложни математически задачи, решаването на които отнема време. Ето защо при квантовата криптография разбиването на кодовете практически е невъзможно.

Спрямо останалите европейски държави, къде е България в този проект?
Спрямо останалите европейски държави в проекта EuroQCI нашата страна е равноправен партньор като ниво на готовност, организация и инфраструктура. Както споменах вече, целта на Европейската комисия е да създаде предпоставки във всички страни членки за паритетно усвояване и използване на квантовите технологии за киберзащита. Считам, че това е една от малкото технологични сфери, където България не е изоставаща, а равнопоставена и напълно подготвена със специалисти и с бекграунд за участие в стратегическата инициатива. Сериозна предпоставка за това е фактът, че на основата на Центъра за компетентност (ЦК) „Квантова комуникация, интелигентни системи за сигурност и управление на риска“ QUASAR с водеща организация Институтът по роботика (ИР) при БАН и с участието на колеги от Института по ядрена физика и ядрена енергетика (ИЯИЯЕ) при БАН вече е изградена необходимата за EuroQCI инфраструктура и като помещения, и като част от специализираното оборудване.

А в квантовите технологии като цяло?
Ако в областта на квантовите комуникации не се забелязва изоставане на нашата страна, все пак има области, в които има какво да се желае. В теорията на квантовите системи вероятно няма изоставане, тъй като има силни групи и в БАН, и в СУ. Но що се касае до хардуерни пробиви, има много какво да се желае. Например, ако е добро началото за изграждане на квантовите компютри и квантовия интернет да става на основата на фотонната технология, съществува и една друга алтернатива, много по-ефективна.
Става реч за свръхпроводящите сквидове – елементи със свойства на бинарни ключове, използващи ефекта на свръхпроводимост и предложени за първи път от Джоузефсън. В рамките на ЦК QUASAR доставихме единствената на Балканския полуостров нискотемпературна система със затворен хелиев цикъл, съдържаща електромагнит до 5.0 Т и работен температурен обхват 10 К – 300 К. Планира се освен изследването на работните режими и характеристиките на микросензори и мултисензори в критични условия да стартират изучаване и на свръхпроводящи структури. В тази обектна област водещите страни са Франция, Германия, Италия и Швеция.

В рамките на 2,5 години ще бъдат изградени 2 трасета – едното ще подсигурява информационните масиви на МВР, МО, Министерство на транспорта и Столична община. Предвижда ли се продължаване на изграждането на квантовата инфраструктура извън този проект?
След като се изградят описаните по-горе квантово-комуникационни линии, ще се пристъпи към включването на банки, болници, при това не само в София, но и от Плевен, Бургас, Варна, Пловдив и др. Следователно инициативата EuroQCI е широкомащабна и многонационална, каквато е стратегията на ЕС. 

Защо се започва точно с тези структури, които да бъдат включени в проекта?
С част от структурите, които ще се включат в първото трасе на проекта EuroQCI, имаме от няколко години сътрудничество, което е от значение. Същевременно тези организации разполагат с чувствителна информация, която наш дълг е гарантирано да се съхранява.

Смятате ли, че квантовите компютри са бъдещето на компютърните технологии? 
Квантовите компютри са безспорно бъдещето на дигитализацията на Европа, САЩ, Япония и др. За обикновения компютър носителят на информация е електрическият ток – нивата на напрежение, наличието и/или отсъствието на ток и т.н. Тя се запазва под формата на битове, които може да имат едно от двете алтернативни състояния 0 и 1. От своя страна, квантовият компютър съхранява и обработва данни на основата на квантовите свойства на атомите и елементарните частици. Съхранената информация е в кюбити (квантови битове), които може да бъдат не само в състояние 0 или 1, а и в двете едновременно 0 и 1. Фактически това е самото състояние на квантовия обект (фотоните) – посоката на поляризация, спин и др., т.е. в положение на суперпозиция.
За съжаление, на този етап съществуват твърде много нерешени проблеми. Например операциите върху квантовите обекти изискват създаването на нови логически оператори (квантови вентили), технологията на свързване е неизяснена достатъчно. И тук е в сила т.нар. проблем „терор на връзките и компонентите“, известен от микро- и наноелектрониката, и др. Моето убеждение е, че проблемите не са ограничаващи развитието на квантовите компютри. Това е сериозно научно предизвикателство, което осмисля бъдещето на информационните технологии. Вероятно следва да се очаква навлизане в тази стратегическа област на явлението свръхпроводимост, което е гарант и за съхранението на информацията, но и за нейната сигурност.

Какво очаквате от сферата на квантовите изчисления в бъдеще?
Квантовите изчисления са технология от бъдещето. Човешкото въображение засега не е измислило или предложило нещо по-ефективно и адекватно на нашия забързан свят. Ако сега суперкомпютрите са хитът, да се надяваме в близко време хитът да бъдат мегакопютрите на квантов принцип. 
Ще бъде полезно да споделя с вашата аудитория и за едно ново явление, което беше установено в ЦК QUASAR при ИР – БАН. Наши учени откриха явлението Емисия на частици при едноосно налягане на твърдотелни структури като скали и бетони. Чрез този ефект се конструират оригинални роботизирани системи, сензорни устройства, технологии и методи от ново поколение. Резултатите са съществени за решаване на множество проблеми в рудо-, нефто- и въгледобива в сеизмично активните райони за детектиране деформацията на скалните масиви и основи, предотвратяването на свлачища и срутища преди настъпване на дезинтеграцията на земните маси, наблюдение състоянието на язовирни стени, мостове, виадукти, крупни енергийни съоръжения и др. В определен аспект и този резултат се превръща в технология от бъдещето.