Председатель Правительства Михаил Мишустин принял участие в образовательном проекте «Урок цифры». В своём видеообращении к школьникам он рассказал о квантовых технологиях.
«Вряд ли основоположники квантовой теории могли представить, что их парадоксальные идеи получат такое развитие. Для нас же, например, уже стало привычным широкое использование в медицине магнитно-резонансной томографии – проще говоря, аппаратов МРТ. Их работа основана как раз на квантовых явлениях», – отметил Председатель Правительства.
Президент определил цифровую трансформацию в качестве одной из национальных целей развития, напомнил Михаил Мишустин. Сегодня Правительство активно внедряет во все сферы жизни самые современные решения, чтобы они служили на благо граждан. Для этого нужны компетентные специалисты.
«Надеюсь, что именно вы будете в их числе. Совсем скоро вы окончите школу, станете студентами. Уверен, многие выберут профессию в IT-области. Некоторые свяжут свою жизнь с квантовыми технологиями. Все вы сможете добиться очень многого – и для своего личного роста, для своей семьи и близких, и, конечно, для нашей страны. От ваших знаний, вашего желания расти зависит, какой будет Россия завтра», – подчеркнул Председатель Правительства, обращаясь к участникам открытого урока.
«Урок цифры» – всероссийский образовательный проект. В 2022 году он проходит в онлайн-формате в четвёртый раз. За время его существования школьники по всей стране получили возможность больше узнать об искусственном интеллекте, кибербезопасности, цифровом производстве, беспилотниках, нейросетях. В этом году урок подготовлен при участии экспертов госкорпорации «Росатом».
Правительство РФ: свежие публикации
Федеральный исполнительный орган государственной власти Российской Федерации. Подотчётно президенту Российской Федерации и подконтрольно Государственной думе.
1 июня 2022 года в День защиты детей в Нижнем Новгороде на площадке форума «ЦИПР-2022» Госкорпорация «Росатом» провела открытый Урок цифры для нижегородских школьников по теме «Квантовый мир: как устроен квантовый компьютер».
Урок посвящен квантовым технологиям – одному из наиболее актуальных направлений развития цифровой науки и «технологий будущего».
Участниками мероприятия стали старшеклассники МБОУ «Лицей» N 40 Нижнего Новгорода, которые проявляют интерес к физике и инженерно-техническим специальностям.
Занятие прошло на стенде Росатома в рамках выставочной экспозиции ЦИПРа.
Провел его молодой российский ученый, руководитель совместной лаборатории квантового искусственного интеллекта Росатома и Российского квантового центра (РКЦ), руководитель научной группы РКЦ Алексей Федоров. Он рассказал школьникам о том, что такое квантовая физика, почему она интересна и чем отличается от классической, какие профессии появятся в будущем, благодаря развитию квантовых технологий.
В ходе урока был продемонстрирован специально созданный научно-популярный фильм, герой которого – руководитель проектного офиса Росатома по квантовым технологиям Руслан Юнусов – пояснил, что квантовый компьютер позволит совершить технологический прорыв в диагностике заболеваний и разработке лекарств, в оборонной, автомобильной и космической промышленности, откроет путь к новым материалам, возможностям автоматического управления и формированию невзламываемого квантового интернета.
По итогам урока ребята стали участниками интеллектуальной викторины о «квантах».
Образовательное мероприятие реализуется в рамках дорожной карты развития высокотехнологичной области «Квантовые вычисления», утвержденной Правительством РФ в 2020 году, с целью формирования и развития кадрового потенциала квантовой индустрии. Росатом является ответственным за реализацию данной дорожной карты, предполагающей разработку до 2024 года российского квантового компьютера.
Для Нижегородской области популяризация квантовых технологий важна в связи с подготовкой к созданию в регионе инновационного научно-технологического центра «Квантовая долина». Ожидается, что Урок цифры повысит интерес школьников к цифровым профессиям и работе в перспективных проектах цифровой науки.
Директор по цифровизации Госкорпорации «Росатом» Екатерина Солнцева ранее отмечала, что Росатом последовательно проводит работу по формированию кадрового резерва для проекта по созданию отечественного квантового компьютера, а также для развития квантовой индустрии в целом:
«Человеческий капитал является главным ресурсом достижения амбициозных целей в области квантовых вычислений, в связи с чем проводится большая работа по консолидации исследовательских кадров – как опытных ученых, так и молодых начинающих энтузиастов. Наряду с этим, реализуются проекты для школьников, которых мы стремимся увлечь молодое поколение интересными задачами в области науки и технологий».
В период с 10 марта по 6 апреля 2022 года в различных регионах Российской Федерации прошел Урок цифры «Росатома» по теме квантовых вычислений, в котором приняли участие более 2 млн школьников.
На платформе урокцифры. рф представлен контент (популярный научно-образовательный фильм, тематические тренажеры в виде онлайн игр для школьников, методические рекомендации для педагогов) в формате урока, подготовленный СП «Квант» (Госкорпорация «Росатом») совместно с РКЦ.
В пресс-службе организации рассказали, что в ходе онлайн-занятия эксперты Российского квантового центра рассказали об устройстве и работе квантового компьютера
МОСКВА, 14 апреля. /ТАСС/. Госкорпорация “Росатом” впервые провела на федеральном уровне онлайн-занятие для школьников в рамках проекта “Урок цифры”, в ходе которого эксперты Российского квантового центра рассказали об устройстве и работе квантового компьютера. В данном мероприятии приняли участие свыше 1,7 млн школьников, сообщила в четверг пресс-служба Росатома.
“То, что сегодня называют квантовым будущим, участникам “Урока цифры” предстоит сделать повседневными технологиями для общества. Это подобно тому, как атомная энергетика когда-то воспринималась как нечто уникальное, а теперь является привычной частью мирового энергетического ландшафта”, – заявил генеральный директор Росатома Алексей Лихачев, чьи слова приводит пресс-служба госкорпорации.
“Урок цифры” – это всероссийский образовательный проект, который позволяет учащимся получить знания от ведущих технологических компаний и развить навыки и компетенции цифровой экономики. Проект реализуется в поддержку федерального проекта “Кадры для цифровой экономики”. В организации “Урока цифры” в этом году приняли участие Росатом, “Лаборатория Касперского”, Яндекс, VK и другие “цифровые лидеры” РФ.
Как отмечается в сообщении, цифровой урок, посвященный квантовым вычислениям и технологиям, прошел 14 апреля – в Международный день квантовых технологий, который проводится на общемировом уровне с 2021 года по инициативе 65 ведущих специалистов в области квантовой физики. Они избрали 14 апреля в качестве своего профессионального праздника по той причине, что постоянная Планка, краеугольный камень квантовой механики, равняется 4,14.
В праздновании этого дня приняли участие российские школьники из 85 субъектов РФ, а также большое число русскоязычных слушателей из более чем ста стран мира. Как надеются организаторы урока, мероприятие привлечет внимание юных россиян к данной сфере науки и технологий, что необходимо для ускорения подготовки кадров, которые займутся внедрением квантовых вычислений и технологий в повседневную жизнь.
Этот урок посвящен удивительному миру квантовой физики и квантовых технологий. Вы узнаете, чем квант отличается от кубита, а квантовая физика – от классической. Также вы узнаете о квантовом компьютере: как он работает и какие сферы нашей жизни скоро изменит. Мы покажем, кто сейчас занимается квантовыми вычислениями и технологиями будущего.
И если вам понравится путешествие в мир квантовых технологий, вы сможете выбрать эту новую сферу науки и техники своей будущей профессией!
Посмотри видеолекцию
`
Квантовый мир: как устроен квантовый компьютер
Квантовая физика – это мир чудес, настоящая terra incognita. Здесь кот перемещается быстрее скорости света, а лампочка включена и выключена одновременно. Однако ученые узнали ее законы и даже смогли поставить их себе на службу, создав квантовый компьютер! Как он устроен? Почему крупные компании вроде Google и целые государства наперегонки хотят создать свои собственные квантовые компьютеры? Кто создает его в России? Как изменится наша жизнь после второй квантовой революции? И когда была первая?
Смотрите ролик и узнаете!
Скачать видео
Собери коллекцию достижений
Везунчик
Открыть все карточки первого задания с первого раза в любом из тренажеров.
Покоритель будущего
Распределить верно с первого раза в тренажере для 1-7 класса.
Профессионал
Распределить все профессии с первого раза в тренажере для 8-11 класса.
Мастер перевода
Распределить верно все описания с первого раза в тренажере для 1-7 класса.
Компьютерный гений
Перенести все принципы работы квантового компьютера верно с первого раза в любом из тренажеров.
Квантовый программист
Распределить верно все значки с первого раза в тренажере для 8-11 класса.
Квантовый администратор
Отметить все задачи с первого раза в тренажере для 1-7 класса.
Научный языковед
Распределить верно все описания с первого раза в тренажере для 1-7 класса.
Все тренажеры пройдены
Авторизоваться на сайте и пройти оба тренажера урока.
Хочешь связать свою жизнь с передовой наукой, стать специалистом в области квантовых технологий? Начни свой профессиональный путь вместе с нами. Госкорпорация Росатом (Квантовые технологии) и Российский квантовый центр помогут тебе стать участником квантового сообщества. Присоединяйся: https://t.me/QuanTeensRQC
Учебные материалы разработаны Госкорпорацией Росатом (Квантовые технологии) при поддержке Российского квантового центра и помогают ученикам познакомиться с миром квантовой физики и квантовых разработок, а также выбрать актуальную профессию будущего.
На уроке по теме “Квантовый мир: как устроен квантовый компьютер” школьники познакомятся с основными понятиями квантовой физики и узнают, чем она отличается от классической физики. Предлагаемые материалы объясняют эти особенности и отличия доступным языком и на простых визуальных примерах. Используемые объяснительные модели показывают междисциплинарность рассматриваемой темы.
В помощь к проведению урока также разработаны методические рекомендации, которые позволяют построить урок наиболее эффективным способом – представить исследуемую тему в доступной форме (фильм, презентации) и проверить полученные знания с помощью игрового формата – тренажеров. Также предусмотрены инструкции для альтернативных форматов проведения урока – без интернета или онлайн.
Школьники смогут изучить теорию, закрепить полученные знания и разобраться, какие задачи стоят перед квантовой физикой.
Учебные материалы для урока разработаны ведущими учеными и специалистами Госкорпорации Росатом и Российского квантового центра и помогают ученикам не только узнать о передовых научных разработках в сфере квантовых технологий, но и сориентироваться в профессиях будущего и способах построения профессиональной карьеры в квантовой сфере.
Квантовая технология – область физики, в которой используются специфические особенности квантовой механики, прежде всего квантовая запутанность. Цель квантовой технологии состоит в том, чтобы создать системы и устройства, основанные на квантовых принципах, к которым обычно относят следующие:
К возможным практическим реализациям относят квантовые вычисления и квантовый компьютер, квантовую криптографию, квантовую телепортацию, квантовую метрологию, квантовые сенсоры, и квантовые изображения.
ЛитератураПравить
СсылкиПравить
Как работают средства связи с квантовой защитой
Ещё с первой половины 20 века учёные ищут способ использовать квантовые технологии для защиты информации. Они разрабатывают такую систему передачи данных, чтобы её взлом противоречил законам физики.
К примеру, чтобы прочесть зашифрованное сообщение, получателю необходим ключ, с помощью которого он сможет перевести и понять засекреченную информацию. Ранее такие операции были ненадёжны: письмо с секретной информацией могли перехватить, аккаунт взломать и так далее.
Квантовая криптография же исключает такую возможность — при попытке воровства посылаемая по специальным сетям информация искажается, а вмешательство третьего лица сразу становится очевидным для отправителя и получателя.
Обмен сведениями происходит через одиночные фотоны по оптоволокну. Один фотон — один бит информации, который соответствует нулю или единице в зависимости от направления поляризации частицы.
При передаче информации на далёкое расстояние информация наиболее уязвима, и здесь квантовые технологии становятся полезными.
В перспективе их будет гораздо больше: это и сверхточные часы, и сверхточные датчики, и новые перспективы в материаловедении, и в создании новых материалов, и те же самые квантовые компьютеры.
Когда технология пересечёт границу между классическим и квантовым мирами, произойдёт бум квантовых технологий, начнётся резкое развитие, в том числе и рынка.
Где используют технологию и какие у неё преимущества
ИТ, медицина, цифровая экономика, искусственный интеллект — часть отраслей, где используют квантовую защиту. В развитие этой технологии инвестируют правительства США, Китая, Великобритании, Японии, России и других стран.
Некоторые из госпрограмм: в США Конгресс утвердил проект развития квантовых технологий объёмом $20 млрд, в Европе действует программа Quantum Flagship с бюджетом более €3 млрд, а в Китае создают Национальную квантовую лабораторию с бюджетом до $12 млрд. Также в технологию вкладывались и корпорации вроде Google, Microsoft, Intel и IBM.
Несмотря на плюсы квантовой защиты, есть трудности, из-за которых государства не могут её применить масштабно.
Ограничения квантовой связи и попытки взлома
Хотя фотоны и движутся со скоростью света, в линиях квантовой связи их распространение ограничено из-за тепловых шумов и дефектов оптоволокна
Высокий уровень помех замедляет скорость передач и приводит к тому, что системе приходится многократно повторять «посылку», чтобы исправить ошибки в коде.
Эту проблему пытаются решить сотрудники Делфтского института в Нидерландах, они работают над квантовыми повторителями — устройствами, способными «воссоздавать» квантовую информацию, не разрушая её.
В России проекты в сфере квантовых технологий развивают компании «Курэйт», «Кванттелеком» и «Инфотекс», работающие совместно с РКЦ, Университетом ИТМО и Центром квантовых технологий Московского госуниверситета имени Ломоносова (МГУ).
Группа Александра Львовского нашла способ «усиления» квантовых свойств светового импульса, обеспечивающего успешную передачу данных. Учёный уверен, что появление квантовых повторителей на рынке поспособствует массовому применению квантовой криптографии.
Это касается каждого из нас. Квантовая криптография — это не только военные или шпионские секреты, это номера кредитных карточек, истории болезни.
У каждого из нас масса конфиденциальной информации. Чем более открытым становится мир, тем важнее для нас контролировать доступ к ней.
Часто квантовая криптография преподносится как абсолютно безопасная, однако уже известны несколько случаев её взлома. Один из них — во время исследований лабораторией Quantum hacking lab.
Чтобы получить ключ шифрования, Вадим Макаров, работающий в Норвежском университете естественных и технических наук (NTNU), и группа его коллег разработали систему, которая с помощью лазерного луча перехватила сигнал, расшифровала послание и подменила его таким образом, что получатель не заметил взлома.
В некоторых случаях перехватчику неважно, оставит ли он «следы». Для такой ситуации специалисты, которые тестируют коммерческие системы квантовой криптографии на наличие лазеек, разрабатывают разные виды атак. Например:
- Атака с помощью светоделителя заключается в сканировании и расщеплении импульсов на две части, а также анализе каждой из частей в одном из двух базисов.
- Атака «Троянский конь» — это сканирование импульса через оптический мультиплексор по направлению к стороне-отправителю или стороне-получателю. Импульс делится на две части для синхронности детектирования и поступает на схему декодирования, при этом искажения передающихся фотонов не происходит.
Квантовая телепортация
Так как квантовая криптография оказалось уязвимой из-за передачи фотонов, учёные нашли альтернативу — квантовую телепортацию (подразумевается передача информации, а не материи).
Законы микромира таковы, что если отправитель не знает заранее направления поляризации фотона, то и получатель определить его не сможет. Однако даже если кому-то из них удастся вычислить это направление, то оно тут же изменится и полученная информация будет неверной.
Учёные пришли к выводу: нужно найти способ передать сообщение косвенным образом, не напрямую. Этот способ связан с «запутанностью фотонов», что означает: две частицы неразрывно связаны между собой, и у каждой направление поляризации неизвестно, но какое бы оно ни было у одной из них — у другой будет противоположным.
«Если отправитель с Земли хочет телепортировать один фотон с неизвестным направлением поляризации на космическую станцию, то для этого ему нужно ещё два фотона, которые были бы связаны», — утверждает Юджин Ползик, профессор физики Института Нильса Бора.
Направление поляризации изначального фотона обозначим за В, связанный фотон на Земле — А, связанный фотон, который отправлен на космическую станцию, — -А. Отправитель производит общее измерение (-А+В) и посылает результат на космическую станцию, где получатель проводит аналогичную операцию: А-А+В=В. Результат: информация о фотоне телепортирована на космическую станцию.
Профессор Юджин Ползик объясняет этот процесс так: отправитель помещает один из связанных фотонов рядом с изначальным (направление которого он хочет измерить), а второй отправляет на космическую станцию. Затем отправитель производит общее измерение на одном из связанных фотонов и на изначальном, а после передаёт результат получателю (любой связью: по телефону, почте и так далее).
Из-за того что частицы «запутаны», фотон на космической станции изменит направление поляризации в зависимости от того, каков результат измерения отправителя. Измерив все три направления поляризаций (связанные фотоны имеют противоположные направления, которые сократятся), получатель получит информацию об изначальном фотоне.
Изображение запутанности: на фотографии два близких фотона, взаимодействующих и обменивающихся физическими состояниями в течение короткого времени
ScienceAlert
На практике это значит, что отправленное таким способом сообщение получит только тот, кому оно адресовано. Даже если злоумышленнику удастся перехватить сообщение по классическому каналу (телефону, интернету и так далее), у него не будет возможности прочесть информацию из-за отсутствия одного из связанных фотонов, которые находятся у отправителя и получателя.
Проекты Google, QuTech и «Росатома»
Квантовые компьютеры планируют использовать для создания новых лекарств, изучения свойств материалов, решения логистических задач (например, избавить город от пробок).
Хотя сейчас квантовые компьютеры не способны решать проблемы такого масштаба (слишком сложны в конструировании и нестабильны в работе), компании уже выпускают их, чтобы закрепиться на рынке.
Сейчас в компьютерах бит может находиться в двух состояниях — ноль или единица. В квантовом компьютере вместо битов — кубиты: квантовые частицы, которые могут быть не только нулями и единицами, но и значениями между этими цифрами. Как и в случае с «запутанностью фотонов», кубиты связаны между собой, поэтому квантовые компьютеры одновременно перебирают все возможные варианты решения, и на момент введения данных результат уже будет получен.
Скорость квантовых компьютеров можно оценить на примере: в 2019 году Google объявила, что её квантовый компьютер (с 53-кубитовым процессором) смог за 3 минуты 20 секунд выполнить расчёт, на который самому мощному в мире суперкомпьютеру Summit от IBM понадобилось бы примерно 10 тысяч лет. Пока квантовый компьютер от Google в партнёрстве с NASA может выполнять только один технический расчёт. Следующий этап проекта — решение практических задач с помощью этого устройства.
Современный исследовательский центр квантовых вычислений и квантового интернета QuTech также работает над созданием квантового компьютера. Для этого он привлекает молодых учёных и студентов старших курсов университетов.
В России квантовый компьютер разрабатывает «Росатом». Корпорация пообещала создать его к 2024 году и планирует потратить на него 24 млрд рублей. Экономический эффект от разработки ожидается не ранее чем через пять лет, планируется создать четыре типа квантовых компьютеров размером от 50 до 100 кубитов.
Многие компании заинтересованы в квантовых технологиях. Мы планируем параллельно работать над созданием софта для квантового компьютера, чтобы, когда его мощность достигнет достаточного размера, софт под запросы бизнеса к нему был уже готов.
«Росатом» ведёт переговоры о разработке с 25 компаниями, среди которых «Сбербанк» и «Сбербанк-Технологии», «Газпромбанк», «Сибур» и «Газпромнефть».
Криптосистемы компаний Id Quantique, MagiQ, Smart Quantum и проект «Ростелекома»
Сегодня квантовые системы стоят сотни тысяч долларов. Например, комплект устройств квантовой криптографии от швейцарской компании ID Quantities, обеспечивающей сетевую безопасность как государственных, так и коммерческих организаций по всей Европе, стоит около $200 тысяч.
Поэтому разработчики коммерческих решений предлагают технологию квантового распределения ключей (метод, позволяющий двум сторонам, соединенным по открытому каналу связи, создать общий случайный ключ, который известен только им, и использовать его для шифрования и расшифрования сообщений) в виде сервиса.
Эта технология позволяет вырабатывать и менять симметричные ключи практически любой длины с недоступной ранее скоростью, предотвращая угрозу квантовых алгоритмов криптоанализа (подбирая нужный ключ, хакер потратит тысячи, если не миллионы, лет).
Такую альтернативу используют, например, в банковской сфере (ключи уже передаются в «Газпромбанке»), где требуется соблюдение особых условий безопасности. Компании Id Quantique, MagiQ, Smart Quantum уже предлагают готовые криптосистемы.
Среди других крупных проектов: «Ростелеком» прогнозирует в течение двух лет (начиная с середины 2019 года) запуск первых коммерческих сервисов с использованием квантового шифрования.
Мы переходим на принципиально новый уровень испытаний, когда создается многоузловая сеть с оборудованием различных вендоров.
На такой сети нам важно протестировать и показать потенциальным клиентам прототипы коммерческих сервисов, например, организацию защиты магистральных каналов передачи данных или виртуальных частных сетей (VPN) с помощью КРК.
На созданной в Санкт-Петербурге сети как раз будут обкатываться будущие коммерческие сервисы
В феврале 2020 года в журнале Nature Пан Цзянь-Вэй из Китайского Университета науки и технологий в Хэфэй и его коллеги описали эксперимент, в котором они продемонстрировали более эффективный способ запутывания двух частиц.
Команда создала запутанное состояние двух узлов из ансамблей охлаждённых атомов, помещённых в резонатор. Узлы были связаны оптоволокном, а запутанность строилась через фотоны, частоты которых были сдвинуты таким образом, чтобы потери в оптоволокне были минимальными. В итоге физики обнаружили новый способ более надёжного запутывания, чем в предыдущих экспериментах.
Это значительное улучшение. Разработанные методы можно использовать для построения квантовых сетей между городами в ближайшем будущем.
Этот эксперимент в будущем позволит создавать крупномасштабные квантовые сети, что может помочь развитию квантового интернета.
Проект РКЦ, Университета ИТМО и другие
В 2016 году в России проложили первую в стране линию квантовой связи. Эта линия соединила два филиала «Газпрома» в Москве, а её общая протяжённость составила около 30 км. Вскоре запустили и первую междугороднюю линию в Ленинградской области. Её протяжённость составила 60 км.
В 2017 году специалисты РКЦ создали линию квантовой связи между двумя отделениями «Сбербанка» в Москве и опробовали её: передали по ней не только квантовые ключи шифрования, но и финансовые данные.
В 2021 году в России планируют создать коммерческую линию квантовой связи длиной 670 км. Проект «Ростелекома» называется «Ландау», его реализуют по программе «Цифровая экономика России 2024». Сеть между расположенными в Москве и Удомле (Тверская область) центрами обработки данных смогут использовать как крупные государственные компании, так и частные корпорации, в том числе банки.
В университете ИТМО планируют создать серийные устройства, которые позволят надёжно зашифровать обычные линии связи. Инвестором проекта стала компания СМАРТС, которая рассчитывает на запуск серийного производства устройств для квантовой защиты линий связи в течение трёх-пяти лет. «В мире интерес к квантовой связи проявляют в первую очередь финансовые организации и спецслужбы», — пояснил председатель совета директоров СМАРТС Геннадий Кирюшин.
Квантовый канал Пекин-Шанхай соединил Пекин с Цзинанем и Хэфэй с Шанхаем на расстоянии более 1200 миль. Несколько крупных китайских банков уже используют эту связь для передачи конфиденциальных данных.
В 2017 году Китай открыл первый междугородный канал связи между Пекином и Шанхаем
Хотя недавно открытая в Китае связь — квантовая, она всё ещё уязвима. Из-за помех при передаче данных фотонами на большие расстояния сигнал должен ретранслироваться «узлом», который расшифрует и перекодирует данные перед их передачей. Этот процесс делает узлы восприимчивыми к взлому. Существует 32 таких узла для квантовой связи Пекин-Шанхай.
До линии Пекин-Шанхай хакеры могли прослушивать телефонные разговоры в любом месте по всей длине оптического волокна. Теперь количество уязвимых точек сократилось до 32.
Чтобы система квантовой связи была на 100% безопасна, сами узлы также должны быть защищены от взлома. Учёные уже работают над решением, пытаясь создать квантовый повторитель.
Межконтинентальная спутниковая квантовая связь
Другой способ расширить границы применения квантовой связи — использование спутниковых и космических линий связи, которые могут соединить две удалённые точки на Земле с меньшими потерями.
Наноспутник, разработанный Национальным университетом Сингапура и запущенный в 2015 году, создал фотоны, которые можно использовать для реализации квантовой сети между космосом и Землёй.
Японский национальный институт информационных и коммуникационных технологий (NICT) продемонстрировал квантовую связь космос-Земля с микроспутником летом 2017 года.
Два индийских исследовательских агентства, финансируемые национальным правительством, Рамановский исследовательский институт в Бангалоре и Индийская организация космических исследований подписали в конце 2017 года меморандум о создании квантовой сети связи через спутник.
Квантовый спутник связи QSS (Quantum experiments at Space Scale) под названием Micius запустили в Китае в 2016 году. Он позволил учёным в Пекине и Вене провести первую квантово-зашифрованную видеоконференцию на расстоянии более 7400 км, а кроме того, создал ключи с помощью «запутанности фотонов» между Китаем и Европой в местах, удалённых до 7600 км на Земле.
«Успех этих проектов и экспериментов сделал Китай лидером в области квантовых коммуникаций», — написал Хуан Инь, один из авторов статьи “Physical Review Letters”, в которой объясняется принцип работы квантового спутника связи QSS.
По словам учёного, несмотря на последние достижения, космической квантовой связи требуются доработки. Охват спутника ограничен — он должен лететь прямо над пользователем. Одним из решений будет отправка серии космических аппаратов для формирования глобальной спутниковой сети.
Также существует ограничение на пропускную способность: в случае Micius в 2016 году только один из шести миллионов фотонов, отправленных спутником, достигал наземного приёмника. Максимальная скорость для QSS составляет несколько килобайт в секунду — этого достаточно для передачи пары квантовых ключей между двумя научными группами, но едва ли приемлемо для одновременного шифрования конфиденциальных транзакций миллионов пользователей интернета.
Ещё одна проблема связана с телепортацией фотонов в течение дня — яркость солнца подавит слабый сигнал спутника.
Проекты МГУ, QRange и других
В 2017 году сотрудники физического факультета МГУ создали и протестировали квантовый телефон, позволивший соединить рабочие станции и зашифровать трафик между ними с использованием квантового распределения ключей.
«Инфотекс» — российский разработчик ПО в сфере информационной безопасности — собирается продавать квантовый телефон в первую очередь крупным корпорациям, поскольку утечки данных чаще всего связаны с разглашением информации сотрудниками. Заместитель гендиректора «Инфотекса» Дмитрий Гусев говорил: «Базовый набор аппаратуры (один сервер и два телефона) стоит около 30 млн рублей».
В 2019 году оборудование показывали и предлагали протестировать потенциальным заказчикам, а также планировали серийное производство партий квантового телефона. По данным на март 2020 года информации о продажах таких телефонов нет.
Разработками российских учёных заинтересовались в Южной Корее — там готовятся к выпуску городских кроссоверов, снабжённых такими телефонами. Проблема такого проекта связана с температурными режимами устойчивой передачи сигнала и с затратами энергии, не позволяющими сделать систему компактной — в виде обычного мобильного телефона.
Сейчас квантовые средства связи всё ещё довольно громоздкие и дорогие. Если вы поставщик телеком-услуг, то, вероятно, сможете купить их, но если вы частное лицо, вряд ли пойдёте на это.
Решить проблемы «больших габаритов» может компания Quantum Flagship: она создаёт «чипы» — генераторы квантовых случайных чисел, которые обрабатывают миллионы бит в секунду и могут быть интегрированы в смартфоны. Главная идея в том, что современная компьютерная безопасность основана на случайных числах, но обычные вычисления не способны генерировать случайные числа такой же чистотой, как квантовые объекты.
Этот проект под названием QRange возглавляет Хуго Збинден, специалист по квантовой физике в Женевском университете, в его задачи входит: сделать квантовые генераторы случайных чисел меньше, быстрее и дешевле.
Что реально с ними сейчас происходит в мире и в России
Квантовый процессор Google на базе массива из 54 кубитов.
Квантовые технологии стали своеобразным технологическим Святым Граалем. Все крупнейшие государства и компании вкладывают огромные деньги в разработку, но никто толком не понимает, как в финале будет выглядеть инфраструктура квантовых вычислений и что это даст. Текущая ситуация очень сильно напоминает историю с управляемым термоядерным синтезом, когда полноценный запуск состоится уже вот-вот, но надо немного подождать, пока мы решим новые возникшие проблемы. Часть технологий откровенно сырая, а часть работает уже сейчас.
За последние годы уже несколько раз компании объявили, что достигли квантового превосходства – способности решать задачи, невыполнимые для классических компьютеров. В 2019 году Google опубликовала статью в Nature, заявив о достижении квантового превосходства на массиве из 54 кубитов. 3 декабря 2020 года уже китайские учёные сообщили о достижении квантового превосходства с новым суперкомпьютером Jiuzhang на запутанных фотонах. В этом исследовании за 200 секунд была решена задача, которая на обычных суперкомпьютерах решалась бы более 1,5 миллиардов лет.
При этом все пишут только о количестве кубитов в системе, но это далеко не единственная ключевая характеристика. Есть ещё как минимум две, не менее важные:
- Уровень ошибок – квантовые компьютеры отдают правильный результат вычислений с какой-то долей вероятности.
- Время удержания когерентности – вам не нужен квантовый компьютер на 300 кубитов, который потеряет свою квантовую когерентность раньше, чем вы начнёте вычисления.
Предлагаю пройтись по текущим достижениям в этой области. Посмотрим, почему РЖД стал крупнейшим квантовым оператором в России. А ещё попробуем понять, пора ли уже внедрять шифрование McEliece в TLS и паниковать или можно ещё немного подождать.
Бит против кубита
IBM Q System One – первый коммерчески доступный квантовый компьютер на базе 20-ти кубитов.
Квантовые вычисления очень часто воспринимаются как некая магия, где волшебная коробочка, погружённая в жидкий гелий, может заменить целые суперкомпьютерные кластеры. На самом деле эта технология предполагает огромный рост производительности, но только в ограниченной сфере задач. Условно говоря, вы сможете во много раз быстрее выполнять расчёты по фолдингу белков, нахождению элементов в базах данных, моделированию атмосферы или взлому классических асимметричных шифров вроде RSA. Но вряд ли это вам поможет в выполнении линейных алгоритмов, не предполагающих параллельных вычислений.
Основа любого квантового компьютера – кубит. По сути, это аналог бита в классических системах. Ключевое отличие в том, что бит всегда имеет одно из двух возможных значений – 0 или 1. При этом каждым битом надо манипулировать отдельно. С кубитами всё иначе. У кубита в «рабочем состоянии» до коллапса волновой функции нет определённого значения. Он находится в неопределённом состоянии суперпозиции, принимая все возможные значения одновременно. Кубиты должны быть запутаны между собой и работать как единая система, так как одиночный кубит сам по себе довольно бесполезен.
3 бита классического регистра против 3-х кубитов квантового
При этом квантовый компьютер тем эффективнее, чем больше кубитов одновременно находятся в запутанном состоянии. Почему так происходит?
- Классическая система из n бит может быть описана с помощью n нулей и единиц.
- Квантовая система из n кубитов уже будет содержать 2^n бит информации.
Таким образом, по мере добавления отдельных кубитов в общий запутанный регистр содержащийся объём информации растёт по экспоненте. Считается, что 50 кубитов уже достаточно для получения квантового превосходства, при котором квантовый компьютер сможет решать задачи, невозможные для классических вычислительных систем. При достижении порога в 300 кубитов, число возможных состояний уже становится 2^300, что превышает количество атомов во всей вселенной.
Обычный компьютер выполняет какой-то алгоритм только для одного набора данных. Квантовые элементы могут принимать несколько значений одновременно, что позволяет производить вычисления не на одном наборе данных, а на всех возможных значениях одновременно. По сути, это идеальный вариант параллелизма, лишь бы данные помещались в регистр. Проблема заключается в том, что сложность удержания системы в когерентном состоянии также растёт экспоненциально.
Физические варианты реализации
Как бит может быть представлен во многих физических вариантах реализации, так и кубиты могут сильно отличаться друг от друга по своей природе. На данный момент есть несколько ключевых вариантов:
- Сверхпроводники;
- Ионные ловушки;
- Нейтральные атомы;
- Фотоны.
Технология находится в самом начале развития, поэтому предугадать лидера очень трудно. Сложность удержания системы растёт по экспоненте. Из-за этого какие-то перспективные направления могут давать более простую реализацию на малом количестве кубитов, но почти непреодолимые технологические барьеры на большом. В то же время текущие аутсайдеры могут показать более хорошее масштабирование на больших системах.
Сверхпроводники
Сейчас вперёд вырвались квантовые компьютеры на базе сверхпроводников. Они все требуют сверхнизких температур в районе 0.01 К. Именно на этой технологической базе работают устройства, разработанные в IBM, Google и D-Wave.
Кубиты в этом исполнении представляют из себя обычные электрические цепи, которые работают на базе джозефсоновских контактов – явления протекания тока через слой диэлектрика, разделяющего два сверхпроводника. Отчасти джозефсоновские контакты представляют собой аналог транзисторов в классических системах.
Основная сложность масштабирования систем на базе сверхпроводников в том, что каждый проводник уникален, так как изготавливается искусственно и с определенной погрешностью, свойственной фотолитографии. Это приводит к необходимости сложной коррекции ошибок, уникальной для каждого экземпляра.
Атомы и ионы
Ионы и атомы хороши тем, что они абсолютно идентичны. Каждый кубит абсолютно стандартный. Логические операции на ионах выполняются с меньшей погрешностью, так как заряженные частицы хорошо и чётко взаимодействуют между собой.
Но и тут проблемы начинаются при попытках масштабирования. Каждый ион необходимо поймать в ловушку электрического поля. Пока их немного, всё в порядке. Как только вы сталкиваетесь с задачей выстраивания единого запутанного квантового регистра на сотню ионов, вы получаете почти неразрешимую задачу по удержанию кубитов в сложнейших электрических полях на очень малом расстоянии друг от друга. По мере роста системы сложность только увеличивается.
Кубиты на базе холодных нейтральных атомов обычно подвешивают в глубоком вакууме лазерным излучением. Световые ловушки позволяют удерживать отдельные элементы в строго рассчитанных координатах. Но тут возникает проблема стабильности системы и время удержания когерентности.
Свет
Квантовые вычисления на фотонах сейчас находятся в самом начале пути. Если ионами, холодными атомами и сверхпроводниками вы относительно свободно можете манипулировать, то с фотонами всё иначе. Ими очень сложно управлять. С фотонами не проблема выполнить однокубитные операции. Двухкубитные операции уже намного сложнее, так как их непросто изолировать и заставить обмениваться между собой квантовой информацией. Также есть проблема в ячейках памяти для хранения квантового состояния системы. Точно сохранить и извлечь данные пока проблема.
Проблема разработки и дебага
Есть принципиальный предел, до которого можно рассчитывать на привычные IDE, дебаг и проектирование – это системы на 50 кубитов. Такой объём теоретически реально симулировать на классических компьютерах. Как только вы добавляете дополнительный кубит, сложность симуляции удваивается.
Таким образом, для разработки и отладки алгоритмов на несколько тысяч кубитов вам не хватит обычной рабочей станции и даже суперкомпьютера. Видимо, придётся изобретать что-то вроде IDE с подключением к удалённому квантовому компьютеру. Про классический дебаг придётся забыть.
Проблема ошибок
Квантовые процессоры ближе всего к аналоговым вычислительным машинам. Они имеют фундаментальную погрешность вычислений. Например, вы хотите считать состояние одиночного кубита. Вероятность корректного считывания может составлять в районе 99,4%. Чтобы избежать некорретных вычислений применяют специальные алгоритмы коррекции. Фундаментальная проблема заключается в том, что если у нас вероятность успешного считывания равна 0,994 для одного кубита, то для двух уже 0,994*0,994=0,988. Таким образом, для системы из 50-ти кубитов вероятность успешного считывания/записи всех узлов будет уже 74%. Если вы собрались ломать SHA-256, то вам потребуется уже 256 кубитов. Шансы с первого раза корректно считать каждый узел в такой системе – 21,4%.
Проблема декогеренции
Как я уже писал выше, вам нужно удерживать всю систему в связанном состоянии. Причем чем больше кубитов вы удерживаете, тем это сложнее. Например, в результате броуновского движения или дрейфа отдельных частиц в электрическом поле какой-то кубит может выйти из когеренции. Если такое произойдёт, то вычисления придётся начинать сначала. Поэтому, вы можете создавать системы на 1 000 кубитов, но если алгоритм выполняется медленнее, чем система распадается, то практических результатов вы не получите. Риски декогеренции растут всё по тем же классическим законам комбинаторики.
Области применения
У квантовых технологий есть несколько ключевых областей применения. В первую очередь все вспоминают про текущую криптографию, которая потенциально станет бесполезной после массового внедрения квантовых систем на тысячи кубитов. Но это направление не ограничивается только квантовыми вычислениями. Многие параллельные ветви развития обеспечивают, например, связь, которая защищена от MitM на фундаментальном уровне.
Квантовый брутфорс
Наиболее известные из разработанных алгоритмов для «квантового брутфорса» – это алгоритмы Шора и Гровера. Они позволяют быстро факторизировать числа и подбирать коллизии к хешам, соответственно. На данный момент полусотни кубитов недостаточно, чтобы поставить под угрозу всю современную криптографию, но потенциально может потребоваться переход на постквантовые алгоритмы, которые обеспечат стойкость условного TLS 3.0, даже при наличии у атакующего квантовых вычислительных систем.
Для подбора общего секретного ключа, например, придётся использовать SIDH —аналог протокола Диффи–Хеллмана, основанный на блуждании в суперсингулярном изогенном графе.
Квантовое распределение ключей
Протокол подготовки и измерения
Одно из очень перспективных направлений – протокол квантового распределения ключа. Один из известных протоколов – BB84 – был предложен ещё в 1984 году Чарльзом Беннетом и Жилем Брассаром. Он работает за счёт фундаментального ограничения, наложенного теоремой о запрете клонирования.
Носителями информации являются фотоны в четырёх различных квантовых состояниях. Обычно подразумевается поляризация под углами 0°, 45°, 90°, 135°. С помощью измерения можно различить только два ортогональных состояния:
- Фотон поляризован вертикально или горизонтально (0° или 90°);
- Фотон поляризован диагонально (45° или 135°).
При этом невозможно за одно измерение отличить фото с горизонтальной поляризацией от фотона, с углом поляризации 135°.
Если канал не подслушивается, то Алиса и Боб смогут подобрать общую скоррелированную строку случайных бит, которую можно будет использовать уже в классических схемах симметричной криптографии. Если часть фотонов перехватывает, измеряет и ретранслирует Ева, то в канале начинают расти измеримые ошибки. По оценкам, если ошибки в канале не превышают 11%, то это значит, что у Евы нет достаточного количества данных для получения ключа. Если же измеренный уровень ошибок превышает описанный уровень, то алгоритм подбора ключа начинается сначала.
В 1989 году Беннет и Брассар в Исследовательском центре IBM построили первый работающий прототип этой системы, а уже в 2011 году в Токио прошла демонстрация проекта «Tokyo QKD Network» с безопасной передачей данных на 45 километров по обычному оптоволокну.
В июне этого года запустили квантовую линию связи между Москвой и Санкт-Петербургом протяженностью 700 километров. Проект реализовывает РЖД.
Протоколы, основанные на запутанности
«Мо-цзы» – китайский спутник, который предназначен для передачи квантовой информации
Другой способ связан с запутыванием фотонов и передачей одной части такой пары Алисе, а другой – Бобу. При перехвате происходит коллапс волновой функции, что приводит к невозможности незаметного перехвата данных. Проблема этой технологии в сложности доставки запутанной пары всем участникам, так как никакие ретрансляторы в этом случае невозможны.
Совместный эксперимент Китайской академии наук и Австрийской академии наук позволил поднять квантово-защищённый канал связи между Веной и Пекином. При этом само сообщение передавалось по открытым каналам шифром Вернама, а ключами к расшифровке стали квантовые состояния запутанных фотонов.
Что сейчас происходит в этой области
Гонка в области квантовых вычислений и квантовой криптографии сравнима с Манхэттенским проектом. Единых стандартов и подходов нет, будущие архитектурные лидеры пока неочевидны. Но уже сейчас крупные частные корпорации, вроде Google и IBM, готовы предоставлять для удалённых вычислений свои квантовые компьютеры по модели Iaas и PaaS. По мере наработки опыта в этой сфере идёт массовая оптимизация и удешевление.
Расходы на квантовые вычисления, предоставленные госучреждениям, университетам и научным группам, исследовательским организациям, достигли $412 млн. Это не так много, но рынок быстро растёт и, по оценкам экспертов, должен достигнуть $8,6 млрд к 2027 году.
В России подключились крупные игроки в виде РЖД, Росатома и Ростеха. Предполагается, что в общую дорожную карту включатся крупные университеты и научно-технологические комплексы, такие как Сколково.
Что уже есть
Защищённые квантовые каналы связи есть уже сейчас. Используют как системы с квантовой запутанностью, так и протокол измерения и подготовки. Гарантированно защищенная связь крайне востребована как военными, так и крупными банками. В промышленной эксплуатации пока системы не используются.
Университет «Иннополис» и компания QRate реализовали интересный проект защиты систем автономного управления беспилотника. По сути, задача состояла в создании секретного шифроблокнота достаточного размера, чтобы его впоследствии можно было использовать совместно с классическими алгоритмами по общим сетям связи. Во время зарядки электромобиля происходит параллельное накопление квантовых данных через оптический канал. Затем автомобиль использует полученные данные для установления квантово-защищённого канала мобильной связи на базе классического OpenVPN и ключей, которые хранятся в специальном устройстве.
Понятно, что приложение экспериментальное, но оно применимо в любых отраслях, где есть высокие риски перехвата и компрометации критических данных.
Что только планируется
Квантовые вычисления ещё очень сырые. По сути, когда мы слышим про 1 000 кубитов у того же D-wave, надо понимать, что на самом деле это кластер из 8-кубитных когерентных блоков. В результате практическая применимость таких систем сильно ограничена узким кругом задач.
По мере роста длительности когерентного состояния, числа кубитов и снижения ошибок, станут возможны прорывы в области химии, фармакологии и других областях, которые требуют сложных параллельных вычислений. Так, станут возможны разработки сложнейших синтетических ферментов, которые смогут катализировать нужные реакции в организме пациента. На такое проектирование сейчас просто не хватает мощностей, чтобы это было рентабельным. Станет возможным предсказывать биохимические и другие свойства будущих препаратов по их молекулярной структуре. Это привёдет к прорыву в процессах разработки и резкому снижению тупиковых вариантов лекарств.
Массовая компрометация текущих алгоритмов шифрования тоже придёт со временем, но скорее всего мы успеем осуществить плавный переход на постквантовые алгоритмы до того, как это станет массовой проблемой.
В текущем виде квантовые технологии очень интересны, перспективны, но для получения коммерчески значимых фактических преимуществ придётся вложить огромные средства в разработку.
С 10 марта начнутся очередные «Уроки цифры», на которых школьники смогут узнать ответы на основные вопросы о квантовой физике.
Всероссийский «Урок цифры» на тему «Квантовый мир: как устроен квантовый компьютер» пройдет с 10 марта по 10 апреля. Школьники познакомятся на нем с основными понятиями квантовой физики и узнают, чем она отличается от классической физики.
В помощь учителю разработаны методические рекомендации, которые позволяют построить урок наиболее эффективным способом – представить исследуемую тему в доступной форме (фильм, презентации) и проверить полученные знания с помощью игрового формата – тренажеров. Также предусмотрены инструкции для альтернативных форматов проведения урока – без интернета или онлайн. Педагог может воспользоваться опорными конспектами, составленными для учеников разных классов.
На уроках школьники будут изучать теорию, закреплять полученные знания и разбираться, какие задачи стоят перед квантовой физикой.
Учебные материалы для урока, разработанные ведущими учеными и специалистами Госкорпорации «Росатом» и Российского квантового центра, помогут ученикам не только узнать о передовых научных разработках в сфере квантовых технологий, но и сориентироваться в профессиях будущего и способах построения профессиональной карьеры в квантовой сфере, сообщается на сайте проекта.
Предыдущий «Урок цифры» был посвящен музыке в ИТ. На занятиях школьники вместе с учителем или самостоятельно искали ответы на такие вопросы, как: способен ли искусственный интеллект сочинять музыку, как работают современные музыкальные сервисы, как алгоритмы рекомендуют треки, может ли компьютер понимать музыку.
Ранее сетевое издание «Учительская газета» сообщало, что почти 3 млн школьников, учителей и родителей из более чем 130 стран приняли участие в «Уроке цифры», посвященном разработке компьютерных игр и профессиям, которые востребованы в этом процессе.
«Урок цифры» — это всероссийский образовательный проект, позволяющий учащимся получать знания от ведущих технологических компаний и развивать навыки и компетенции цифровой экономики. Инициаторами проекта выступили Министерство просвещения, Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций РФ и АНО «Цифровая экономика».
В период с 10 марта по 06 апреля 2022 года для обучающихся школы будет проводиться урок по теме “Квантовый мир: как устроен квантовый компьютер”, организованный в рамках реализации Всероссийского образовательного проекта “Урок Цифры”.
Этот “Урок цифры” расскажет о квантовой физике. Чем она интересна и почему отличается от классической физики? Зачем создавать квантовый компьютер? Как он работает и какую пользу принесет человеку? Какие профессии появятся в будущем благодаря развитию квантовых технологий? В этом уроке вы узнаете ответы на эти вопросы для себя и учеников.
https://урокцифры.рф/
Разработка квантовых компьютеров обещает прорыв в целом ряде областей — химии, биологии, транспорта и медицины. РБК Тренды разбирались, как работают такие компьютеры
Квантовые компьютеры смогут решать те задачи, с которыми не способны справиться даже самые мощные суперкомпьютеры современности. Работу над ними ведут такие гиганты ИТ-индустрии, как IBM, Microsoft, Google и Intel. РБК Тренды выяснили, как развивается это направление разработки и с какими трудностями оно сталкивается.
https://youtube.com/watch?v=y97doHj3ryU%3Fcontrols%3D1
Что уже используют квантовые технологии и что будут использовать?
К возможным практическим реализациям относят квантовые вычисления и квантовый компьютер, квантовую криптографию, квантовую телепортацию, квантовую метрологию, квантовые сенсоры, и квантовые изображения
Где будут применяются квантовые технологии?
Где используют технологию и какие у неё преимущества ИТ, медицина, цифровая экономика, искусственный интеллект — часть отраслей, где используют квантовую защиту. В развитие этой технологии инвестируют правительства США, Китая, Великобритании, Японии, России и других стран
Что используется в квантовых технологиях?
Основа любого квантового компьютера – кубит. По сути, это аналог бита в классических системах. Ключевое отличие в том, что бит всегда имеет одно из двух возможных значений – 0 или 1. При этом каждым битом надо манипулировать отдельно