квантовая нанотехнология

Оглавление

Время на прочтение

Технологии, основанные на квантовых эффектах, обладают интересной двойственностью: с одной стороны, они давно стали реальностью (достаточно вспомнить о транзисторах и лазерах) и продолжают активно развиваться; с другой стороны, непросто вспомнить, какие значимые результаты получили широкую огласку в последние годы. Почти наверняка большинство читателей так же, как и я, вспомнят разве что объявление о достижении квантового превосходства. Но там до конца так и не было ясно, случилось оно или не случилось.

И всё же прогресс в квантовых технологиях заметен хотя бы по тому, какое внимание им уделяют крупнейшие корпорации. I BM ещё в 2018 году рапортовали о сотне тысяч пользователей платформы Quantum Experience, Microsoft создаёт quantum development kit, и даже J. P. Morgan пытается развить в компании quantum culture. Любопытно, что сейчас всё больше говорят о связи квантовых вычислений и искусственного интеллекта.

В конце ноября 2020 года я встретился с Алексеем Фёдоровым, одним из ведущих российских специалистов в области квантовых технологий, автором десятков научных публикаций, руководителем научной группы Российского квантового центра, профессором МФТИ и обладателем бесчисленного множества других регалий. Он многое рассказал о состоянии современной квантовой науки, о грядущих технологических внедрениях и об интересных задачах, которые можно решать прямо сейчас. Видеозапись интервью смотрите на YouTube, там же доступна и запись последующего доклада на конференции YaTalks.


КВАНТОВАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ

Чем квантовый компьютер превосходит обычный?

Принцип суперпозиции, при котором базовая единица информации может существовать более чем в одном состоянии одновременно, позволяет квантовому компьютеру хранить и обрабатывать одновременно гораздо больше данных, чем любому другому. При этом большими объемами данных можно управлять одновременно с помощью концепции, известной как квантовый параллелизм. Имея возможность вычислять и анализировать разные состояния данных одновременно, а не по одному, квантовые системы могут давать результаты с очень высокой скоростью.

Про урокцифры:  КВАНТОВЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ УЧЕБНИК


КВАНТОВАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ

Квантовые системы можно было бы применить для того, чтобы решить проблему коммивояжера — задачу, которая требует нахождения кратчайшего маршрута между множеством городов, прежде чем вернуться домой. А решение этой задачи позволило бы более грамотно выстраивать навигацию и планировать маршруты по всему миру, что удешевило бы и упростило перемещения людей и грузов. Подобного рода исследования уже проводит Volkswagen совместно с D-Wave и Google.

Квантовый компьютер способен обрабатывать огромные объемы финансовых, фармацевтических или климатологических данных, чтобы найти оптимальные решения проблем в этих отраслях.

Наконец, квантовые системы способны найти новые методы шифрования и легко взламывать даже самые сложные шифры.

IBM Quantum уже работает с клиентами над решением подобных проблем. Компания помогает разработать новое поколение электромобилей на технологии квантовых батарей с Daimler; технологию снижения выбросов углерода в атмосферу с помощью открытия экологичных материалов с ExxonMobil: ищет истоки зарождения Вселенной вместе с CERN. А Google использовала Sycamore для точного моделирования химической реакции.

Как работает квантовый компьютер

Квантовые компьютеры для вычислений используют такие свойства квантовых систем, как суперпозиция и запутанность. В суперпозиции квантовые частицы представляют собой комбинацию всех возможных состояний, пока не произойдет их наблюдение и измерение. Запутанные кубиты образуют единую систему и влияют друг на друга. Измерив состояние одного кубита, возможно сделать вывод об остальных. С увеличением числа запутанных кубитов экспоненциально растет способность квантовых компьютеров обрабатывать информацию.


КВАНТОВАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ

Базовым элементом, выполняющим логические операции в классическом компьютере, является вентиль. Для работы квантового компьютера используются квантовые вентили, собранные из кубитов. Они бывают однокубитные и двухкубитные. Также существуют универсальные наборы вентилей, с помощью которых можно выполнить любое квантовое вычисление

Кроме того, квантовые компьютеры не могут работать со стандартным софтом вроде Windows. Для них требуется своя операционная система и приложения. Некоторые технологические гиганты уже предлагают организациям опцию квантовых вычислений в облаке. Облачные квантовые вычисления обеспечивают прямой доступ к эмуляторам, симуляторам и квантовым процессорам.


КВАНТОВАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ

Поставщики также предоставляют платформы разработки и документацию для языков и инструментов вычислений. I BM уже представила программную платформу для квантовых вычислений с открытым исходным кодом под названием Qiskit. А Microsoft выпустила инструмент бесплатного разработчика вычислительной техники на языке Q# и симулятор квантовых вычислений. Над разработкой ПО для квантовых компьютеров работают также 1QBit, Cambridge Quantum Computing, QSimulate, Rahko, Zapata и другие компании.

Платформа Orquestra от Zapata предлагает набор вычислительных методов для квантовых компьютеров

Для работы квантовых компьютеров требуются квантовые алгоритмы. Из наиболее известных квантовых алгоритмов можно выделить три:

Квантовый компьютер работает на вероятностном принципе. Его результатом работы является распределение вероятностей возможных ответов, наиболее вероятный ответ обычно является лучшим решением.

Квантовые кубиты в физической реализации бывают нескольких типов: сверхпроводниковые, зарядовые, ионные ловушки, квантовые точки и другие.

Настоящий уровень развития технологий позволяет создать большое количество кубитов, сложность возникает с устойчивостью такой системы. Как и все квантовые системы, кубиты легко теряют заданное квантовое состояние при взаимодействии с окружением (происходит их декогеренция). При этом в работе квантового компьютера растет количество ошибок вычислений. Чтобы обеспечить ее устойчивость при проведении вычислений, требуется оградить систему от любого фонового шума, например, в случае сверхпроводниковых систем, охлаждая их до температур, близких к нулю по Кельвину (-273,1 °C). Разработчики используют сверхтекучие жидкости, чтобы добиться такого охлаждения.

Как объяснил Руслан Юнусов, исторически сверхпроводники считались наиболее перспективным направлением благодаря хорошей масштабируемости, стабильности во времени, контроле параметров и относительной легкости управления ими. Именно на этой платформе построены квантовые компьютеры IBM, Google и Rigetti. Однако, по его словам, в последнее время все большую популярность приобретают альтернативные квантовые платформы: ионы, демонстрирующие высочайшие на сегодняшний день показатели стабильности и точности операций (Honeywell, IonQ), и фотоны, преимуществами которых являются малый размер фотонного процессора и возможность работы при комнатных температурах (Xanadu, PsiQuantum, Quix).

Кроме того, развиваются новые концепции: системы на поляритонах или магнонах, системы бозе-эйнштейновских конденсатов, когерентные машины Изинга, когерентные CMOS-архитектуры. Так, в поляритонной архитектуре битом служит поляритон — квазичастица, сочетающая свойства света и вещества. Теоретически, поляритонный квантовый компьютер сможет работать при комнатной температуре, что снизит его стоимость и упростит изготовление. В настоящее время изучением поляритонных структур занимается Сколтех.

Ошибки

Как мы уже говорили, квантовые процессы и квантовые вычисления имеют вероятностную природу, мы не можем быть уверены на 100% ни в чем, а только с какой-то вероятностью. Ситуация усугубляется еще и тем, что квантовые вычисления подвержены ошибкам. Основные типы ошибок при квантовых вычислениях это:

Ошибки, связанные с декогерентностью, возникают сразу же, как только мы запутали наши кубиты и начали производить вычисления. Чем больше кубитов мы запутали, тем сложнее система, и тем легче ее разрушить. Низкотемпературные саркофаги, защищенные камеры, все эти технологические ухищрения как раз направлены на то, чтобы снизить число ошибок и продлить время декогеренции.

Вычислительные ошибки гейтов — любая операция (вентиль) над кубитами может с некоторой вероятностью завершиться с ошибкой, а нам для реализации алгоритма нужно выполнить сотни вентилей, вот и представьте, что мы получим в конце выполнения нашего алгоритма. Классический вариант ответа на вопрос — “Какова вероятность встретить динозавра в лифте?” — 50х50, или встретишь или нет.

Проблема еще усугубляется тем, что стандартные методы коррекции ошибок (дублирование вычислений и усреднение) в квантовом мире не работают из-за теоремы о запрете клонирования. Для коррекции ошибок в квантовых вычислениях пришлось придумать квантовые же методы коррекции. Грубо говоря мы берем N обычных кубитов и делаем из них 1 логический кубит с меньшим уровнем ошибок.

Но тут возникает другая проблема — общее количество кубитов. Смотрите, допустим у нас есть процессор со 100 кубитами, из которых 80 кубитов заняты коррекцией ошибок, тогда нам для вычислений остается только 20.

Ошибки считывания финального результата — как мы помним, результат квантовых вычислений нам представлен в виде вероятностного распределения ответов. Но считывание финального состояния тоже может завершиться с ошибкой.

На том же сайте есть сравнительные таблицы процессоров по уровням ошибок. Для сравнения возьмем те же процессоры, что и в предыдущем примере — IBM IBM Q System One и Google Sycamore:

Здесь фиделити — мера схожести двух квантовых состояний. Величину ошибки можно грубо представить как 1-Fidelity. Как мы видим, ошибки на 2-х кубитных гейтах и ошибки считывания являются главным препятствием к выполнению сложных и длинных алгоритмов на существующих квантовых компьютерах.

Еще можно почитать роадмап от 2016 года от NQIT по решению задачи коррекции ошибок.

Физические реализации кубитов


КВАНТОВАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ

Как мы уже говорили, кубит может быть представлен квантовым объектом, то есть таким физическим объектом, который реализует описанные выше квантовые свойства. То есть грубо говоря, любой физический объект, в котором есть два состояния и эти два состояния находятся в состоянии суперпозиции можно использовать для построения квантового компьютера.

“Если мы умеем помещать атом в два разных уровня и управлять ими, то вот вам и кубит. Если мы можем это сделать с ионом, — кубит. С током то же самое. Если мы запускаем его по часовой стрелке и против часовой стрелки одновременно, вот вам кубит.” (С)

Из всего этого многообразия наиболее проработанным является первый метод получения кубитов, основанный на сверхпроводниках. Google, IBM, Intel и прочие ведущие игроки используют именно его для построения своих систем.

Ну и еще почитайте обзор возможных физических реализаций кубитов от Andrew Daley,2014.

Пути решения проблем

Для решения вышеуказанных проблем, в настоящее время используют следующие подходы и методы:

Также проводятся исследования, направленные на увеличение времени декогеренции, на поиск новых (и доработку известных) физических реализаций квантовых объектов, на оптимизацию схем коррекции и прочее и прочее. Прогресс есть (посмотрите выше на характеристики более ранних и топовых на сегодняшний день чипов), но пока идет медленно, очень очень медленно.

Вычисления, сети, криптография, сенсорика


КВАНТОВАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ

Говоря про квантовые технологии, чаще всего мы подразумеваем квантовые компьютеры. Однако сфера применения квантовых технологий гораздо шире. Например, уже протянуты многие тысячи километров квантовых сетей, несколько компаний заняты разработкой постквантовых алгоритмов шифрования, тестируются квантовые сенсоры для биомедицинских приложений

В День российской науки вспоминаем Tech Science Meetup от SuperJob, на котором руководитель научной группы Российского квантового центра, профессор МФТИ Алексей Федоров рассказал о том, что представляют собой квантовые компьютеры, об их светлой и темной сторонах и какую роль сейчас играют квантовые технологии в сфере ИТ.

Квантовые технологии интересны как с точки зрения фундаментальной науки, так и с позиции будущих потенциальных сфер применения. Сейчас модно говорить, что мы стоим на пороге новой технологической революции — Индустрии 4.0, базирующейся на машинном обучении, робототехнике, искусственном интеллекте и множестве других инструментов, которые так или иначе связаны с обработкой и хранением информации. Однако внедрение всех этих технологий требует больших вычислительных ресурсов или более эффективных методов передачи информации, чему и должно поспособствовать квантовое направление.


КВАНТОВАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ

От паровых машин — к электричеству, компьютерам и ИИ

Предел закона Мура как намек на переход к квантовым вычислениям

Вспомним закон, который выражает эмпирическое наблюдение одного из основателей компании Intel Гордона Мура. Согласно ему, количество транзисторов на кристалле интегральной схемы постоянно увеличивается.

Закон Мура можно записать в самых разных величинах — в плотности размещения транзисторов, их размерах, стоимости вычислительной мощности и т.п. И до последнего времени он идеально соблюдался практически во всех своих формулировках.


КВАНТОВАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ

Рост скорости вычислений в расчете на доллар

Каждая третья, если не вторая, презентация по квантовым технологиям начинается с утверждения, что закон Мура больше не работает, потому что транзисторы приблизились к пределам масштабирования. Если говорить в размерных терминах, в 2020 году должен был бы появиться транзистор величиной с один атом. Однако этого не произошло

При этом все же нельзя сказать, что классический компьютер закончил свое существование и закон Мура полностью себя исчерпал. Как показывают результаты последних лет, за счет, например, новых архитектур классические процессоры продолжают развиваться. Тем не менее, несмотря на это развитие, есть целый класс задач, которые классические компьютеры решают не так хорошо. В частности, задачи, связанные с теорией чисел или комбинаторной оптимизацией, с моделированием сложных систем, например химических реакций, материалов, лекарств или топлива. Во всех этих задачах с увеличением количества переменных сложность растет очень быстро. И здесь нам точно пригодятся квантовые вычисления.

Кубит и рубеж квантового превосходства

В свое время классический компьютер появился благодаря квантовой физике. На рубеже XIX и XX веков для решения ряда физических вопросов возникла квантовая теория. Помимо фундаментально новой картины мира, в которой мы живем, она подарила нам лазеры и транзисторы, в основе которых лежит механизм управления коллективными квантовыми свойствами.

А современные квантовые технологии — это переход от управления большим количеством частиц, коллективным эффектом, к оперированию отдельными квантовыми системами: индивидуальными атомами, фотонами, электронами.

Их поведение радикально отличается от того, к чему мы привыкли в классическом мире.


КВАНТОВАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ

Первая и вторая квантовые революции — переход от управления коллективным поведением частиц к управлению каждой из них в отдельности

Квантовая система может находиться в состоянии суперпозиции — одновременно в нескольких возможных состояниях. На примере монетки: это будет не орел или решка, а и решка, и орел одновременно.

Еще один характерный момент — явление квантовой запутанности, т.е. проявление очень сильной взаимосвязи между квантовыми объектами. В системе из двух связанных монеток, зная состояние одной, мы могли бы измерить или изменить состояние другой.

Квантовые свойства можно использовать, чтобы строить новые устройства, в том числе для обработки информации. В этом случае основным элементом становится не бит информации, а кубит — суперпозиция нуля и единицы.


КВАНТОВАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ

У одного кубита два возможных состояния, у двух кубитов — четыре, а у пятидесяти — 2^50 возможных состояний.


КВАНТОВАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ

Это огромное пространство состояний. Благодаря квантовым свойствам можно создавать в этом пространстве очень сложные квантовые состояния, для описания которых потребовалось бы колоссальное количество информации. За счет преобразования таких состояний оказывается возможным решать сложные задачи, которые, по всей видимости, непосильны для классических суперкомпьютеров. Возможность квантовых компьютеров решать задачи, которые не решаются за разумное время на классических суперкомпьютерах, называется квантовым превосходством.

Что имеем на сегодняшний день?

Масштаб и потенциал квантовых компьютеров пока ограничены. На данный момент мы еще не нашли такую элементную базу, которая позволила бы компьютерам, работающим по принципу управления отдельными квантовыми системами, одновременно иметь большое количество кубитов и обеспечить высокую степень контроля над каждым из них в отдельности. Такое сочетание масштабируемости и контроля нам еще только предстоит найти.

Для использования ресурсов, которые нам дает квантовая механика, — суперпозиции и запутанности — нам необходимо защитить квантовую систему от внешнего воздействия. Любое неконтролируемое влияние извне может переключить квантовое состояние и, например, внести ошибку в реализацию алгоритма. Бороться с такими ошибками на порядок сложнее, чем в классическом мире. Поэтому для развития квантовых компьютеров нам нужны не только эффективные методы увеличения их мощности, но и инструменты защиты от воздействия окружения.

За статус лучшего решения сейчас борются различные платформы квантовых компьютеров — гонка активно идет.


КВАНТОВАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ

Перспективные платформы квантовых вычислений

Свои элементные базы сегодня развивают как крупные корпорации вроде Google и IBM, так и стартапы. Направления очень разные:

Нам еще предстоит найти аналог кремниевых транзисторов для квантовых вычислений, который позволил бы быстро наращивать мощность. Развитые страны инвестируют в это колоссальные средства. У них есть планы развития квантовых технологий и государственные программы поддержки инициатив. Лидируют по объему инвестиций Китай, США, Европа.


КВАНТОВАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ

Примерный объем инвестиций в квантовые вычисления по всему миру

В гонке участвует и Россия. У нас принята дорожная карта по развитию квантовых технологий и вычислений, цель которой — развивать и масштабировать накопленный опыт в области квантовых вычислений. Стоит отметить, что в России есть задел по всем ключевым технологиям квантовых вычислений.

Примечательно, что помимо государств в гонке участвуют и частные корпорации. Читая об успехах в квантовых технологиях, мы видим не только Harvard, MIT, Yale, Sorbonne, Ecole Normale, Oxford, Cambridge, но и Google, Microsoft, Alibaba и многих других. Особенно активно в этом направлении сейчас работают ИТ-корпорации. А в последнее время в этой нише из среды университетов и научных центров появилось много стартапов, предлагающих оригинальные технологии и наращивающих за счет этого свою капитализацию. Яркие примеры — IonQ и Rigetti, которые в этом году стали первыми «единорогами» в области квантовых вычислений.

Чем может быть полезен квантовый компьютер

Квантовый компьютер помогает решать задачи, которые традиционно сложны для классических вычислений, например моделирование химических соединений.

Он дает возможность кодировать состояния химических систем, скажем отдельных молекул или их соединений, в кубиты и таким образом проводить вычисления, предсказывать характеристики молекулярных соединений, полученных в ходе реакции.

Ряд существующих химических задач имеют очень высокий экономический эффект. Их решение точно окупит все вложения в разработку квантового компьютера. Хороший пример — задача по моделированию процесса получения аммиака.

Аммиак — очень востребованное химическое соединение, которое применяется в удобрениях. Но в силу неэффективности процесса его производства на него тратится, по некоторым данным, порядка 2-3% всей мировой энергии. Если с помощью квантового компьютера оптимизировать или разработать иной способ производства аммиака, можно было бы сэкономить значительные объемы энергии.

Квантовый компьютер может быть полезен для решения задач оптимизации. Поиск оптимального решения можно представлять себе как блуждание по ландшафту с холмами и впадинами различной глубины в поисках минимума. Эффект от квантовых вычислений можно проиллюстрировать как более эффективный поиск минимумов за счет возможности проникнуть в определенные области, отделенные узким высоким барьером. Для этого параметры задачи оптимизации кодируются в многочастичную квантовую систему, которая ищет свое наиболее выгодное энергетическое состояние.


КВАНТОВАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ

Решение задачи оптимизации через ее кодирование квантовой системой многих тел

Пример, который приходит на ум, — задача коммивояжера, путешествующего между городами. С ростом числа городов увеличивается количество возможных маршрутов. И оказывается, задачу оптимизации перемещений можно решать путем ее кодирования в квантовой системе.

Еще одно применение — квантовое машинное обучение. В зависимости от задач можно добиться ускорения алгоритмов вплоть до экспоненциального, даже если просто использовать квантовый компьютер как сопроцессор. Такой компьютер может потенциально ускорить многие задачи линейной алгебры или квадратично ускорить поиск по неупорядоченной базе данных. Кроме того, квантовые компьютеры сэмплируют в ходе естественной эволюции квантовой системы, т.е. генерируют распределение, которое сложно получить классическим образом. В целом речь идет не только об ускорении классических алгоритмов, но и о создании принципиально новых методов обучения нейронных сетей или даже новых архитектур.

К слову, лаборатория Google, которая занимается квантовыми компьютерами, называется Quantum Artificial Intelligence Lab. То есть с момента создания этой структуры коллеги из Google видят в качестве одного из основных применений квантовых компьютеров ускорение задач машинного обучения и искусственного интеллекта.


КВАНТОВАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ

Общая схема применений квантовых компьютеров в поиске новых лекарств, Y. Cao, J. Romero, and A. Aspuru-Guzik, Potential of quantum computing for drug discovery (2020)

Если комбинировать различные методы использования квантовых компьютеров, скажем оптимизацию химических процессов и машинное обучение, можно ускорить решение такой задачи, как создание лекарств. Для работы в этом направлении нам нужны точные сведения о химических соединениях — кандидатах на роль лекарства. Мы должны оптимизировать его структуру и взаимодействие с компонентами, чтобы получить наилучшие свойства. И квантовый компьютер позволяет ускорить генеративные модели, помогающие создавать новые лекарства, опираясь на свойства существующих.


КВАНТОВАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ

Заказчики квантовых вычислений из числа крупных компаний

Особенность текущего этапа развития квантовых технологий и вычислений — тот факт, что в качестве клиента сюда пришел бизнес.

Возможности квантовых компьютеров, существующих сегодня, — количество кубит и точность операций — ограничены. Они если и дают ускорение, то в очень узком классе задач, у которых нет прямых практических приложений. И в целом квантовое превосходство было доказано только для задач, вызывающих академический интерес. Несмотря на это, заказчиком квантовых вычислений уже сегодня является бизнес — крупные компании, такие как Airbus, Volkswagen и другие. Это компании из совершенно различных сфер: и производство, и финансовые услуги, и исследовательский бизнес. Все они ищут в своих отраслях узкие места, где квантовый компьютер поможет в будущем получить технологическое преимущество за счет решения вычислительных задач.

Именно так я бы и сформулировал второй вызов, который стоит перед исследователями в этой области, — поиск новых приложений, квантовых алгоритмов и неожиданных решений, где квантовый компьютер может быть полезен. Только за счет ресурса алгоритмистов мы можем понять истинный потенциал квантовых вычислений. Возможно, с ними будет та же история, что и с классическим компьютером: больший экономический эффект окажется совсем не в той сфере, для которой он изначально создавался. В свое время компьютеры разрабатывали, чтобы решать дифференциальные уравнения — запускать спутники и ракеты. И на тот момент никто не думал, что возникнет такая большая индустрия, как игровая.

Аналогичная ситуация сейчас и с квантовым компьютером. Мы понимаем, что это инструмент решения задач оптимизации и моделирования. Но, возможно, мы не видим того самого неожиданного и интересного применения, которое у него будет.

Так что сегодня поле конкуренции — не только в области разработки железа, но и в сфере разработки софта и алгоритмов. Мы в Российском квантовом центре тоже активно работаем, создавая облачные платформы доступа к квантовым компьютерам, и пытаемся с помощью индустриальных партнеров решать на них задачи. У нас есть заказчики, т.е. мы работаем не только в интересах фундаментальной науки, но и для индустрии. По всей видимости, одним из основных заказчиков в ближайшее время будет нефтегазовая отрасль, поскольку она нагружена задачами химического моделирования и оптимизации производственных процессов и логистики. Кстати, кроме нас свою дорожную карту развития квантовых вычислений сформировали и в Росатоме.

Кроме того, мы работаем совместно с иностранными компаниями, например с Nissan. Автомобильной индустрии квантовый компьютер поможет с химическим моделированием в процессе разработки нового поколения аккумуляторных батарей. Речь здесь идет не только о железе, но и о соответствующих алгоритмах. Мы этим активно занимаемся. А более долгосрочную перспективу мы видим в фармакологии, генетике, медицине и науках о жизни в широком смысле. В будущем это будут большие заказчики для квантовых алгоритмов.

Квантовая и постквантовая криптография

Если будет создан достаточно мощный квантовый компьютер, способный многократно быстрее, чем это позволяют классические методы, раскладывать числа на простые множители, мы столкнемся с темной стороной квантовых вычислений. Может показаться, что эта задача далека от нас. Однако каждый раз, когда мы заходим в интернет, наши данные шифруются при помощи алгоритмов, стойкость которых обусловлена невозможностью быстро решить такую математическую задачу.

Легко перемножить два числа, но сказать, из каких простых множителей состоит заданное достаточно большое число, — сложная задача. Эффективного классического алгоритма, который мог бы быстро решить эту задачу, нет. Однако в 1994 году американский математик Питер Шор (Peter Shor) показал, что, когда квантовый компьютер будет создан, он сможет решить эту задачу очень быстро. Для решения задачи, на которую классическому компьютеру потребовался бы миллион лет, квантовому компьютеру будет достаточно 10 часов.


КВАНТОВАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ

Оценки длительности взлома алгоритма RSA с помощью классического и квантового алгоритмов

Стоит отметить, что для практической реализации взлома квантовый компьютер должен быть многократно мощнее тех, что доступны на данный момент. Сейчас квантовые системы имеют не более 100 кубит. А для взлома RSA даже предыдущего поколения требуется как минимум 20 миллионов. Так что произойдет это не завтра. Но риск для представляющей долгосрочный интерес информации, скажем медицинской или генетической, нужно рассматривать уже сегодня.

Для таких задач уже сейчас нужно применять инструменты, устойчивые к взлому с помощью квантовых компьютеров. Подобных инструментов два: квантовая и постквантовая криптография.


КВАНТОВАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ

Идея квантовой криптографии

Идея квантовой криптографии состоит в том, чтобы кодировать информацию в одиночные квантовые состояния. За счет невозможности скопировать или измерить состояние, не внеся какое-то изменение, можно гарантировать отсутствие неконтролируемого вмешательства в процесс передачи информации (конфиденциальность), даже если злоумышленник обладает всеми возможными техническими средствами, включая квантовый компьютер, и никак не ограничен с точки зрения вычислительных ресурсов.

Когда квантовые компьютеры появятся и станут экономически эффективны, точно не известно. Но сети квантовой криптографии уже активно развертываются по всему миру. Они уже прототипировались в США и Европе. А наибольшая создана в Китае — это магистральная сеть протяженностью больше 4 тыс. км, включающая как наземный, так и спутниковый сегмент. Сегодня этой сетью пользуются банки для обмена регуляторной информацией и для защиты наиболее чувствительных данных, подпадающих под категорию долгосрочной безопасности.


КВАНТОВАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ

Схема маршрута китайской квантовой сети

Эти технологии активно развиваются и в России. У нас строятся как отдельные устройства, так и сети квантовых коммуникаций.


КВАНТОВАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ

Демонстрация отдельных узлов квантовой сети

К 2024 году планируется создать сеть квантовых коммуникаций протяженностью 7 тыс. км. Первый сегмент этой сети уже построен между Москвой и Санкт-Петербургом.

В этом году в Москве появились университетские сети. К одной из них реализован открытый облачный доступ — с использованием этой квантовой сети можно создавать собственные приложения. Она расширяемая, т.е. можно добавлять новые устройства, прототипировать протоколы обмена и взаимодействия.

У квантовой криптографии есть интересные новые приложения, например защита управляющей информации для беспилотных транспортных средств, априори устойчивая к атакам.


КВАНТОВАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ

Схема защиты управления беспилотным транспортным средством с помощью квантовой криптографии

Квантовая криптография — аппаратное решение, требующее разработки новых устройств, которые генерируют квантовые состояния. Но инфраструктурный подход — не единственный. Альтернатива — постквантовая криптография.

Существует миф, согласно которому квантовый компьютер сможет решать все задачи. Но это не совсем так.

Сегодня мы уже понимаем, что класс задач, в которых квантовый компьютер дает ускорение, ограничен. Существуют задачи, для которых мы не знаем эффективных квантовых алгоритмов. На них можно строить новую криптографию с открытым ключом, которая будет устойчива даже при наличии у злоумышленника квантового компьютера.

Постквантовая криптография — программное решение, т.е. фактически новая библиотека криптографических алгоритмов. Поэтому она разрабатывается и стандартизируется уже сегодня.

К 2024 году Национальный институт стандартов и технологий США должен будет закончить работу над постквантовой криптографией. В России аналогичным стандартом занимается Технический комитет 26. Так что вполне возможно, что квантовая и постквантовая криптография появятся гораздо раньше, чем сами квантовые компьютеры. Благодаря работе в этом направлении, в какой-то момент мы проснемся и увидим, что интернет-соединение защищено новыми алгоритмами, которые построены с учетом возможного появления у злоумышленника квантового компьютера.

Квантовая метрология и сенсорика

Про это направление говорят сравнительно меньше, нежели про квантовые вычисления и коммуникации. Факт хрупкости квантовых систем, когда неконтролируемое воздействие окружения может легко их разрушить, имеет и положительную сторону. На его основе можно создать высокочувствительные системы для измерения магнитных полей, температуры и других параметров, применяя их в интернете вещей или при создании более точной системы глобального позиционирования.

Это очень интересное направление, которое позволяет ответить на большое количество сложных вызовов. Но, чтобы оно по-настоящему раскрыло свой потенциал, нужна концентрация интеллектуальных ресурсов. Здесь есть множество задач для людей с разным бэкграундом.

Квантовое будущее

Мы находимся на пороге экспоненциального роста. Мы прошли этап последовательного развития: идея квантового компьютера родилась еще в 1980-х годах, но за последние пять лет мы видим значительный рост мощности квантовых компьютеров. Количество кубитов увеличивается, мы уже наблюдаем превосходство квантовых вычислений на абстрактных задачах. Осталось конвертировать его в превосходство на прикладных задачах. Это повлечет за собой новых заказчиков квантовых технологий и запустит тот самый цикл производительности — выведет нас на следующую экспоненту роста.

Про Алексея Фёдорова

Алексей Шаграев: Расскажи, пожалуйста, кем ты работаешь, чем занимаешься?

Алексей Фёдоров: Я — руководитель научной группы Российского квантового центра (rqc.ru), и это означает, что я занимаюсь научными исследованиями в области квантовых информационных технологий. Мы активно развиваем два направления: квантовые коммуникации и квантовые вычисления. Вторая большая часть моей жизни — преподавание: я преподаю на Физтехе курс «Введение в современные квантовые технологии».

Ты попадал в какое-то бесчисленное количество рейтингов, например, в рейтинг Forbes «30 до 30». Как туда попадают и что это за рейтинги?

За 2019–2020 год я обнаружил себя в нескольких списках. Первый из них — список Forbes по науке и технологиям. Как туда попасть — сложный вопрос. Мне кажется, что туда попали в основном люди, за которыми действительно что-то числится и они при этом умело продвигали свои результаты (мне всегда очень помогал Российский квантовый центр). Все ребята, которые попадают в эти списки, судя по тому, что я вижу, активно работают над популяризацией достигнутых результатов, маркетингом и так далее.


КВАНТОВАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ

Второй интересный список — список Илонов Масков администрации Президента. Мне позвонили и говорят: «Вас назвали в качестве одного из российских Илонов Масков». Я говорю: «Ничего себе. А кого ещё?» И оказалось, что там длинный список очень крутых людей. Безусловно, это приятно. И, конечно, Илон Маск — культовая личность. Часто проводят аналогию между квантовой и космической гонками, квантами и ядерной гонкой. Мы знаем, что Илон Маск занимается космосом, очень большим технологическим проектом, в котором с первого взгляда кажется, что всё бесконечно сложно и далеко от рынка. На кванты часто смотрят так же, поэтому сравнение с Илоном Маском — приятное. Если удастся что-то в том же масштабе, в котором он сделал для космоса, сделать для квантов — это будет очень круто. Так что это авансом, но очень крутой ориентир.

Что ты делал для того, чтобы популяризовать свою область?

Тут нужно сказать о Российском квантовом центре — организации, где я работаю. Это очень необычная форма организации науки в России — частный научный институт. Мы привыкли, что в России науку развивают университеты, институты академии наук, оборонная промышленность, какие-то отраслевые институты. А квантовый центр — частный институт на площадке «Сколково». Поэтому Центру, чтобы существовать, чтобы быть узнаваемым, важно заниматься популяризацией науки, объяснять обществу важность достигаемых результатов. Я работаю в Российском квантовом центре уже около 8 лет. Популяризация науки — часть нашего ДНК, часть нашей культуры — не просто достигать результатов, но и рассказывать обществу, в чём состоит их важность.

Мы рассказывали научному сообществу, в чём состоят научные достижения; технологическому сообществу — в чём плюсы от внедрения квантовых технологии; обществу — какие большие вызовы будущего решат квантовые технологии.

Квантовые алгоритмы

Как уже говорилось, обычные алгоритмы, основанные на бинарной логике, неприменимы к квантовому компьютеру, использующему квантовую логику (квантовые вентили). Для него пришлось придумывать новые, в полной мере использующие потенциал, заложенный в квантовую природу вычислений.

Наиболее известные на сегодняшний день алгоритмы это:

В отличие от классических, квантовые компьютеры не универсальны.
До сих пор найдено лишь небольшое число квантовых алгоритмов.(С)

Спасибо oxoron за ссылку на Quantum Algorithm Zoo, место, где, по уверениям автора (“Stephen Jordan”), собраны и продолжают собираться лучшие представители квантово-алгоритмического мира.

В данной статье мы не будем подробно разбирать квантовые алгоритмы, в Сети много прекрасных материалов на любой уровень сложности, но кратко пробежаться по трем самым известным все-таки надо.

Проблемы квантовых компьютеров

При проектировании и эксплуатации квантовых компьютеров перед учеными и инженерами возникает огромное количество проблем, которые на сегодняшний день решаются с переменным успехом. Согласно исследованию (и еще вот тут) можно выделить следующий ряд проблем:

Давайте организуем все основные проблемы в три большие группы и рассмотрим поподробнее каждую из них:

Квантовое вычислительное превосходство.

Википедия дает нам следующее определение квантового вычислительного превосходства:

Ква́нтовое превосхо́дство — способность квантовых вычислительных устройств решать проблемы, которые классические компьютеры практически не могут решить.

Фактически достижение квантового превосходства означает, что, например, факторизацию больших чисел по алогритму Шора можно решать за адекватное время, или можно эмулировать на квантовом уровне сложные химические молекулы, и так далее. То есть новая эпоха наступила.

Но в формулировке определения есть некоторая лазейка, “которые классические компьютеры практически не могут решить”. Фактически это означает, что если создать квантовый компьютер из 50+ кубитов и запустить на нем некоторую квантовую схему, то, как мы рассматривали выше, результат работы этой схемы невозможно будет сэмулировать на обычном компьютере. То есть классический компьютер воссоздать результат работы такой схемы будет не в состоянии.

Является ли такой результат реальным квантовым превосходством или нет, вопрос скорее философский. Но понимать, что сделал Google, и на чем основано его недавнее заявление о достижении квантового превосходства на своем новом процессоре Sycamore надо.

«Дорожные карты» в квантовое будущее

В России основным драйвером развития квантовых технологий являются «дорожные карты», которые сейчас активно реализуются по направлениям квантовых вычислений и коммуникаций под кураторством «Росатома» и РЖД.

Результатом проектов в рамках «дорожной карты» по квантовым вычислениям в России уже стали два квантовых компьютера с 16 кубитами: один из них построен на ионной платформе, а другой — с использованием атомов. Также разработаны процессоры на сверхпроводниках и фотонах.

Проект по ионному квантовому компьютеру обладает важной особенностью. Благодаря поддержке в рамках проекта ЛИЦ (Лидирующего исследовательского центра «Квантовые вычисления». — «РБК Тренды») и «дорожной карты» удалось реализовать кудитный квантовый процессор — новый способ построения масштабируемых квантовых компьютеров.

Следующие шаги — увеличение количества кубитов или кудитов, а также точности квантовых операций и демонстрация квантовых алгоритмов. При этом многие российские компании уже проявляют интерес к внедрению квантовых технологий.

Промышленные решения для квантового распределения ключей уже используются для построения магистральных и корпоративных квантовых сетей.

В заключение нужно сказать, что сама идея появления квантовых технологий уже необратимо изменила мир. Масштаб изменений трудно прогнозировать на сегодняшнем, уже значимом, но все еще достаточно раннем уровне развития. Вспоминая ранний этап развития полупроводниковой эры вычислений, можно задаться вопросом: хватит ли миру пяти квантовых компьютеров? Очевидно, что нет, так как уже сейчас их количество исчисляется десятками. Полезное же квантовое превосходство будет стимулировать переход к индустриальному производству — для этого будет достаточно и одного реального кейса применения квантовых компьютеров с экономическим эффектом.

Алгоритм Шора.

Наиболее известным квантовым алгоритмом является алгоритм Шора (придумал в 1994 году английский математик Питер Шор), который нацелен на решение задачи разложения чисел на простые множители (задача факторизации, дискретного логарифма).

Именно этот алгоритм приводят в пример, когда пишут о том, что ваши банковские системы и пароли скоро будут взломаны. Учитывая, что длина используемых на сегодняшний день ключей не менее чем 2048 бит, время для шапочки еще не пришло.

На сегодняшний день результаты более чем скромные. Лучшие результаты факторизации с помощью алгоритма Шора — числа 15 и 21, что сильно меньше, чем 2048 бит. Для остальных результатов из таблицы применялся иной алгоритм расчетов, но даже лучший по этому алгоритму результат (291311) сильно далек от реального применения.


КВАНТОВАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ

Подробнее про алгоритм Шора можно почитать, например, вот тут. Про практическую реализацию — тут.

Одна из текущих оценок сложности и необходимой мощности для факторизации числа из 2048 бит это компьютер с 20 миллионами кубитов. Спим спокойно.

Про путь в науке

Ты в 15 лет поступил в Бауманку? Как это вообще возможно?

Я в 15 лет закончил школу, так получилось, и потом поступил в Бауманку. Мои родители решили, что начальные классы школы — это скучно, и сказали: «А почему бы тебе не пойти сразу в пятый класс?» Я такой: «А почему бы и нет?» Так и получилось.


КВАНТОВАЯ НАНОТЕХНОЛОГИЯ

Сложно учиться, когда ты моложе одногруппников?

Да. Причём, когда я пришёл, то сразу сказал на кафедре: «Мне, наверное, будет сложно, потому что я моложе всех на два года». Они говорят: «Да? А давай тогда ты будешь старостой. Тебе так будет легче». Поэтому я ещё и был старостой в своей группе. Это помогло мне немножко собраться и двигаться вперёд. Но для Бауманки, на самом деле, это нормальная история: многие ребята поступают достаточно рано. 15 лет — далеко не рекорд.

Почему квантовые компьютеры? Как ты попал в эту область?

Это был длинный путь. Я учился на факультете информатики и систем управления. Занимался классическим IT, если можно так сказать: информатикой, криптографией, и в какой-то момент понял, что мне очень не хватает физики. Начал читать всякие научно-популярные статьи, и узнал, что прямо сейчас происходит какая-то интересная история про кванты. Квантовые компьютеры, квантовая криптография. А почему нам про это не рассказывают? Начал сам про это читать, ходил на занятия на кафедру физики в Бауманке. И как-то так получилось, что в момент выбора научной стези я уже понимал, что хочу заниматься квантовыми вычислениями и квантовой криптографией.

Причём здесь есть личная история. Я увлёкся квантовой криптографией. Это направление меня очень заинтересовало, так что я долго им занимался, но никогда не думал, что из этого получится что-то практическое. Я думал, что это будет теоретическая работа: буду статьи читать, статьи писать и так далее. Но в какой-то момент познакомился с Юрием Курочкиным — он сейчас CTO QRate, спин-оффа Российского квантового центра, который как раз занимается разработкой систем квантовой криптографии. Даже уже не просто разработкой, а внедрением их в разные приложения. И я увидел, что у меня появился человек, благодаря которому, скорее всего, все теоретические идеи в какой-то момент воплотятся в железо. И это действительно получилось. В дипломе, который я писал под руководством Юры, уже содержались элементы экспериментов по квантовой криптографии. А буквально через несколько лет появилась промышленная установка квантовой криптографии, которую производит QRate.

Алексей Фёдоров выступил на конференции YaTalks 5 декабря 2020 года. Посмотреть запись можно на сайте конференции, а также в YouTube. Запись интервью доступна по ссылке.

Алгоритм Гровера

Алгоритм Гровера — квантовый алгоритм решения задачи перебора, то есть нахождения решения уравнения F(X) = 1, где F — есть булева функция от n переменных. Был предложен американским математиком Ловом Гровером в 1996 году.

Алгоритм Гровера может быть использован для нахождения медианы и среднего арифметического числового ряда. Кроме того, он может применяться для решения NP-полных задач путем исчерпывающего поиска среди множества возможных решений. Это может повлечь значительный прирост скорости по сравнению с классическими алгоритмами, хотя и не предоставляя «полиномиального решения» в общем виде.(С)

Подробнее можно почитать вот тут, или тут. Еще вот тут есть хорошее объяснение алгоритма на примере ящиков и мяча, но, к сожалению, по независящим ни от кого причинам, данный сайт у меня из России не открывается. Если у вас этот сайт тоже заблокирован, то вот краткая выжимка:

Алгоритм Гровера. Представьте, что у вас имеется N штук пронумерованных закрытых коробок. Они все пустые кроме одной, в которой находится мячик. Ваша задача: узнать номер коробки, в которой находится мячик (этот неизвестный номер часто обозначают буквой w).

Как решать эту задачу? Самым тупым способом, по очереди открывать коробки, и рано или поздно вы наткнетесь на коробку с мячиком. А сколько в среднем коробок нужно проверить до того, как будет обнаружена коробка с мячиком? В среднем нужно открыть примерно половину коробок N/2. Главное здесь то, что если мы увеличим число коробок в 100 раз, то в те же 100 раз увеличится и среднее число коробок, которые нужно открыть до того, как будет найдена коробка с мячиком.

Теперь сделаем ещё одно уточнение. Пусть мы не сами открываем коробки руками и проверяем наличие мячика в каждой, а имеется некий посредник, назовем его Оракул (Oracle). Мы говорим Оракулу — «проверь коробку номер 732», и Оракул честно проверяет и отвечает «в коробке номер 732 мячика нет». Теперь вместо слов о том, сколько коробок нам нужно в среднем открыть, мы говорим «сколько раз в среднем мы должны обратиться к Оракулу для того, чтобы найти номер коробки с мячиком»

Оказывается, что если перевести эту задачу с коробками, мячиком и Оракулом на квантовый язык, то выходит замечательный результат: для поиска номера коробки с мячиком среди N коробок нам нужно потревожить Оракула всего примерно SQRT(N) раз!

То есть сложность задачи перебора используя алгоритм Гровера снижается в квадратный корень раз.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *