Интервю на доц. Лъчезар Георгиев и екипът му пред сп. КОСМОС
Айнщайн, Бог, заровете и новият квантов свят
Бог не играе със зарове с Вселената, упорствал Алберт Айнщайн, когато спорел с гениалните физици Вернер Хайзенберг, Луи дьо Бройл, Ервин Шрьодингер, Нилс Бор и Макс Планк. Айнщайн също бил на „ти“ с квантовата физика. Интерпретирайки фотоелектричния ефект като сблъсък между фотони, наситени с енергия и електрони, той отваря вратата за прозрението, че светлината, смятана за вълна се държи все едно е поток от частици и това му носи Нобелова награда през 1921 г.
Въпреки това феноменалният физик отхвърля един от най-важните моменти на квантовата механика – че светът на частиците не се подчинява на правилата от класическата физика. Той не вярва, че квантовият свят е вероятностен и поне видимо всичко в него е на случаен принцип.
Айнщайн смятал, че една мощна мисъл може да обхване реалността в нейната цялост, а квантовият свят с неговата случайност разбивали напълно хипотезата, в която той искрено вярвал до края на живота си.
Вернер Хайзенберг е по-умерен и признава, че има много неща, които физиците не разбират. Въпреки това открива принципа на неопределеността – учените не могат да изчислят траекторията на един свободен електрон, но когато той е в голяма група, която с движението си рисува дифракционните тъмни и светли ресни, учените могат да ги прогнозират и да ги пресметнат предварително.
Айнщайн отказва да приеме тази неопределеност и случайност. До края на живота си той твърди, че Бог не играе на зарове с Вселената. Вярва, както приятеля си Дейвид Бом, че има някакви скрити променливи, които нямат нищо общо с характеристиките на частиците – като маса, заряд, въртене.
Бом допускал в хипотезите си, че има един нулев, базов ред, където се задават първоначалните вълни и направления, а на повърхността се виждат само тук-таме ефектите му. Затова за нас те са случайни, но всъщност има по-дълбоки причини всичко да се случва по определен начин. Всъщност, логиката на Айнщайн може да се опише по следния начин – защо именно на Менделеев с неговия изключително подготвен ум и интелект му хрумва таблицата с химичните елементи, а не на неговия коняр, който е на светлинни години от света на химията?
Дали Айнщайн и Бом са прави? От днешна гледна точка, експериментите ги опровергават, но в бъдеще кой знае?
„Макс Планк прави първата стъпка към създаването на квантовата теория и успява да обясни част от експериментите“, разказа пред сп. „Космос“ доц. Лъчезар Георгиев, директор на Института за ядрени изследвания и ядрена енергетика при Българска академия на науките. Той е ръководител на Научния екип на Центъра за компетентност QUASAR и предствител на България в борда на Европейската инициатива EuroQCI (European Quantum Communication Infrastructure).
„След това тази теория е доразвита от Нилс Бор, Шрьодингер, Хайзенберг – допълва ученият. – Бор стига до извода че микрочастиците се подчиняват на други закони, които се различават от нашата физическа интуиция. Например когато гледаме една топка ние във всеки момент знаем къде се намира, с каква скорост се движи, докато при квантовата физика не е така. Там се появява неравенството на Хайзенберг, че координатите и скоростта на една квантова частица не могат да бъдат измерени едновременно – можем да определим или координатите, или скоростта.“
След теорията на Джон Бел за детерминистични системи със скрити параметри и експериментите на Ален Аспект за нарушенията на неравенствата на Бел, става абсолютно ясно, че квантовите системи „са дълбоко нелокални“, тоест те сериозно се различават от тези на класическата физика. Затова от днешна гледна точка физиците приемат, че Айнщайн не е бил прав.
Независимо от това, този момент е сред най-великите в историята, защото благодарение на неговото упорство, поколения физици ден след ден се стремят да го оборят и да разкрият нови и нови приложения на тези необясними явления в квантовата механика. Предизвикателството на Айнщайн е огромно, но благодарение на него учените правят първите по-смели стъпки в квантовите компютри, в квантовия интернет, в квантовата телепортация и комуникация. Те не разбират докрай случайността, но са твърдо решени да използват всичките й ефекти.
Благодарение на това и на изключителните усилия на учените ни, днес малка България може да се похвали с пробив, който смятахме, че е запазен само за колоси като САЩ, Китай, Япония и обединена Европа.
Екипът на доц. Георгиев успя да постигне квантова комуникация на разстояние от 51 км. при тестове в оптичната мрежа на А1 с оборудване произведено от Швейцарската компания ID Quantique. Само за сравнение рекордът до 2020 г. принадлежеше на Китай и бе 18,5 км. През април тази година проф. Long Guilu от Tsinghua University и вицепрезидент на Beijing Academy of Quantum Information Sciences, съобщи, че е подобрил предишното си постижение, постигайки малко над 100 км. Наскоро Toshiba обяви рекорд за квантова комуникация на разстояния от над 400 км. Според него скоростите вече са достатъчно добри, за да се провеждат телефонни обаждания и да се изпращат абсолютно защитени текстови съобщения, както и криптирани видео-конференции на около 50 км.
От тази гледна точка, България има истински късмет, че имаме учени, способни да влязат в състезание с най-добрите в света.
„Това, което Айнщайн не можеше да приеме, ние го използваме – казва доц. Георгиев. – Природата на квантовите частици е стохастична – случайна, а именно това е много полезно при защитата на информацията, при криптографията и осигуряването на сигурни комуникации. Много хора не вярваха че светът е квантов, но Джон Бел и Ален Аспект го доказаха. Неслучайно Ричард Файнман многозначително обобщи: „Ако можем да се примирим с незнанието, аз ще ви науча как да го използвате.“
До тази изстрадана мъдрост се стига след редица жестоки хакерски атаки. Само преди 3 години имаше пробив в информационната система на електроразпределението на САЩ.
„Стана истински кошмар – отбелязва доцентът. – Банките и банковите транзакции често са мишени, както и всички други чувствителни данни, неотдавна при нас пострадаха Пощите.“
Всички много добре помнят как на 24 февруари 2022 г. – точно в деня, в който Русия атакува Украйна, интернет услугата на ViaSat бе прекъсната в цяла Европа за няколко часа. Ударът бе с цел да се прекъснат украинските военни комуникации, но заедно с това пострадаха потребители в цяла Европа.
Според доцента много злосторници прихващат чувствителна информация сега, надявайки се след няколко години, когато разполагат с квантови компютри, да я дешифрират. Дотогава квантовата комуникация е зона, забранена за тях, защото със сегашните и бъдещите технологии хакерите по никакъв начин не могат да разгадаят секретния ключ.
„В квантовите компютри България няма особени шансове, защото там се наливат огромни пари – признава доцентът. – В момента се опитваме да запазим експертизата на страната в областта на квантовите технологии – успяхме в този център да купим две двойки машини Алис и Боб за квантово споделяне на ключове. Идеята ни е да привлечем интереса на младите хора към тези технологии, защото бъдещето е квантово. Аз преди се занимавах на теоретично ниво с квантови компютри, а квантовата криптография ми бе хоби, сега стана обратното.“
Телекомуникационните компании проявяват огромен интерес към технологията, още повече, че наскоро бе разработен квантов генератор на случайни числа за защита на 5G мрежите в Южна Корея.
Това е и една от целите на EuroQCI – Европейската организация за изграждане на квантова комуникационна инфраструктура. Тя трябва да създаде наземна мрежа основана на квантово криптографски принцип за защита на комуникациите обхващаща териториите на всичките 27 Страни-членки.
„Европейската космическа организация ще финансира изстрелването на сателити и инсталирането на оптично-земни станции, за да се пренесат тези връзки и с Космоса – отбелязва доц. Георгиев. – Хубавото за България е, че успяхме да се качим в този вагон, бяхме на косъм да изпуснем влака, а сега ще можем да използваме сателитите на ЕКА, без да сме член на тази организация.“
Заедно с тази задача, приоритет на EuroQCI е да свърже всички столици на страните членки, а представител на България в борда е доц. Лъчезар Георгиев.
След създаването й резултатът бе мълниеносен. Все по-често се появяват публикации, че САЩ изостават от Европа в квантовата надпревара. Китай е номер едно и постоянно лобира неговите протоколи да се стандартизират, за да придобие авторски прави, но Америка, Канада, ЕС и Япония се обединиха и подготвят свой общ проект за квантовите компютри, където Китай умишлено е изключен.
Защо квантовата комуникация е най-сигурната за момента? Доказателствата са и в нашия център, където са двете станции, наречени Алис и Боб.
„Те искат да си предадат съобщение, криптирано с квантови методи, за да е секретно – казва Петър Кокарчев от екипа на доц. Георгиев. – Това по средата е Ева, която иска да подслушва съобщението. В този протокол се използват квантови частици на светлината – фотони, които пренасят съобщението.
Лазер генерира фотоните, които са електромагнитни вълни и ги изпраща. С поляризатора променяме тяхната поляризация – посоката, в която трептят. Ако този, който подслушва знае за тази посока, той може да ги прихване и да подслушва без проблем. Но той не знае посоката ни. Ето сега, изпращаме фотон с бит 1, но подслушвателят Ева засича бит 0, след което сега показва 1. Причината е, че когато не знае за какви фотони да се ослушва, той променя информацията – веднъж бит 1, веднъж бит 0.
Тоест, той не може да прочете съобщението, дори да го прихване. И понеже го променя, това ще внесе грешки в станцията на Боб и ние веднага ще отчетем до 25% грешки – тогава знаем, че някой подслушва линията. Така злосторникът дори да прихване някаква част, той ще я промени и няма да може да я прочете. Все едно отваряте книга, в нея всичко се разбърква и не можете да разберете нищо.“
Софтуер се грижи затова фотоните да се натоварят с информация и със съответната поляризация да се изпратят по оптичната линия на 51 км.
„Ключът е криптиран и е гарантирано, че никой друг не може да го прочете“, коментира Кокарчев. „Целта на тази технология е ако има някакъв център с чувствителна информация да се осигури сигурна, защитена връзка, това не е технология за защита на самата информация в облака“, посочи Светослав Христов.
Мнозина бъркат квантовата комуникация с телепортацията, но между двете има малка разлика.
„Можем да телепортираме състоянието на частица – обясни Кокарчев. – В двете станции Алис и Боб поставяме две сплетени частици. Те са родени от общо начало или са си взаимодействали. Създават се като се пусне лазер с нелинеен кристал – когато през него влезе един фотон, на статистически принцип понякога изскачат два, които са сплетени, тоест, те са свързани – в пространството и във времето. Когато измерим една от частиците, това оказва влияние на другата. Поставяме едната в станцията на Алис, другата – в тази на Боб. Физически. В станцията на Алис е поставена още една частица – от Чарли, която искаме да пренесем в станцията на Боб, по-точно нейното състояние. За целта се прави преплитане между Алис и Чарли.“ С този процес на „моногамия“ учените у нас и в чужбина често се шегуват, макар той упорито да навлиза в научните публикации.
„Щом Алис се е сплела с Чарли, нейното преплитане с Боб се разрушава, защото Алис има нов партньор – усмихва се Кокарчев. – Щом са заедно – състоянието на Боб се е прехвърлило на Чарли, а на Чарли с частицата на Боб. Все едно частицата на Алис пак си е преплетена с Боб, защото тези частици обичат моногамията – „да са само с един партньор“.“
Всички тези особености и странности на квантовите частици така изумявали Айнщайн, че той ги нарекъл призрачни. Но фактът че учените все още не разбират как става това, не означава, че не могат да експлоатират ефектите. Именно благодарение на тези свойства комуникацията става напълно секретна.
„По този канал – оптичното влакно се изпращат битове информация, но не обикновени, а квантови битове, които имат особено свойство – те могат да бъдат прочетени един-единствен път – обяснява Антон Младенов. -Изпращам информация и знам че ако бъде получена от Боб, той не е бил подслушван. А ако е – тя ще бъде унищожена.“
„По този начин всеки може да изпрати през имейл, чрез интернет чувствителни данни и е гарантирано, че никой няма да може да ги разкодира, защото ключът е стохастичен“, обобщава доц. Георгиев.
Така пред тази технология се открива едно фантастично бъдеще. Тя заедно с квантовия интернет и квантовите компютри още отсега вдъхновява визионерите. Те са убедени, че благодарение на тях добавената реалност и виртуалната реалност ще получат невиждано развитие. Опитите с телепортацията ще продължат, но ако някой си представя, че скоро това ще става с хора, много се лъже. „Космос“ проведе неотдавна интервю с най-цитирания в света физик и теоретик на ЦЕРН проф. Джон Елис и той бе категоричен, че подобни експерименти с хора са изключени. Най-малкото защото не е ясно дали ще оцелеят.
У нас екипът на доц. Георгиев е фокусиран изцяло върху практични проекти като Център за компетентност “Квантова комуникация, интелигентни системи за сигурност и управление на риска” (QUASAR)”.
Целта е да се изгради пилотна информационна мрежа, в която ще се събира и обработва информация от различен тип – за критичната инфраструктура на България – наблюдение на язовири, на границите, предсказване на бедствия и аварии.
Интелигентните системи за сигурност обхващат разнообразни сензори и сензорни системи, платформи за анализ и вземане на решение, конфигурации за защита и превенция, системи за отговор, възстановяване, анализ на нови и възникващи заплахи и предизвикателства, системи с изкуствен интелект, анализ на човешки и социални проблеми и други. Управлението на риска е необходимо за гарантиране на сигурността на елементи от критичната инфраструктура в урбанизирана, промишлена, транспортна среда, в морето, във въздуха и може да се използва за изграждане на система за управление на сигурността на цялата критична инфраструктура.
Предвижда се и създаването на мултисензорни технологии и изграждането иновативни сензорни системи за прогнозиране на катастрофални явления чрез емисия на наночастици.
Идеята е цялата тази информационна система с чувствителна информация да бъде защитен с квантова криптография.
Така предизвикателството на Айнщайн е на път да ни пренесе в един вълнуващ нов квантов свят, където хоризонтите се достигат със скорост, близка до тази на светлината – обичайната за квантовите частици.
А дали той наистина е сбъркал или някой ден ще се окаже прав, че физиците нещо не знаят, тепърва ще видим.