Разнообразие квантовых технологий: вычисления, сети, криптография, сенсорика Хабр
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. К возможным практическим реализациям относят квантовые вычисления и Методы анализа рынка Форекс квантовый компьютер, квантовую криптографию, квантовую телепортацию, квантовую метрологию, квантовые сенсоры, и квантовые изображения. У квантовой криптографии есть интересные новые приложения, например защита управляющей информации для беспилотных транспортных средств, априори устойчивая к атакам.
Разнообразие квантовых технологий: вычисления, сети, криптография, сенсорика
У нас строятся как отдельные устройства, так и сети квантовых коммуникаций. Существует миф, согласно которому квантовый компьютер сможет решать все задачи. К 2024 году планируется создать сеть квантовых коммуникаций протяженностью 7 тыс. Первый сегмент этой сети уже построен между Москвой и Санкт-Петербургом.
Квантовая метрология и сенсорика
Однако каждый раз, когда мы заходим в интернет, наши данные шифруются при помощи алгоритмов, стойкость которых обусловлена невозможностью быстро решить такую математическую задачу. 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.
Предел закона Мура как намек на переход к квантовым вычислениям
Согласно ему, количество транзисторов на кристалле интегральной схемы постоянно увеличивается.
Это позволит квантовой сети оставаться стабильной, несмотря на неизбежные потери отдельных связей. Однако, если добавлять слишком много соединений, это может привести к перегрузке ресурсов и снижению эффективности сети. С другой стороны, если не устанавливать достаточное количество связей, сеть может фрагментироваться и не удовлетворять потребности пользователей. Международная группа исследователей из Университета штата Монтана, Колумбийского университета и Исследовательского института Honda достигла значительного прогресса в области квантовых технологий. Учёным удалось создать и исследовать новый тип квантового материала – ультратонкие двумерные наноленты, способные излучать одиночные фотоны света.
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.
На них можно строить новую криптографию с открытым ключом, которая будет устойчива даже при наличии у злоумышленника квантового компьютера. Когда квантовые компьютеры появятся и станут экономически эффективны, точно не известно. Но сети квантовой криптографии уже активно развертываются по всему миру. А наибольшая создана в Китае — это магистральная сеть протяженностью больше 4 тыс.
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. Квантовый компьютер помогает решать задачи, которые традиционно сложны для классических вычислений, например моделирование химических соединений. 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.
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.
- Благодаря этому, квантовые сети обеспечивают высокий уровень безопасности и значительную скорость передачи информации.
- При этом все же нельзя сказать, что классический компьютер закончил свое существование и закон Мура полностью себя исчерпал.
- Квантовая криптография — аппаратное решение, требующее разработки новых устройств, которые генерируют квантовые состояния.
- К 2024 году Национальный институт стандартов и технологий США должен будет закончить работу над постквантовой криптографией.
- Эта особенность ставит серьезные вызовы перед разработкой масштабируемых квантовых сетей.
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. Особенность такой квантовой коммуникации заключается в том, что любая попытка перехвата сообщений неизбежно вмешается в квантовые состояния, что немедленно обнаружится получателем информации.
Речь здесь идет не только о железе, но и о соответствующих алгоритмах. 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. Нам еще предстоит найти аналог кремниевых транзисторов для квантовых вычислений, который позволил бы быстро наращивать мощность.
Идея квантовой криптографии состоит в том, чтобы кодировать информацию в одиночные квантовые состояния. 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. При этом все же нельзя сказать, что классический компьютер закончил свое существование и закон Мура полностью себя исчерпал.
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. 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. Такое сочетание масштабируемости и контроля нам еще только предстоит найти.
За статус лучшего решения сейчас борются различные платформы квантовых компьютеров — гонка активно идет. Это очень интересное направление, которое позволяет ответить на большое количество сложных вызовов. Но, чтобы оно по-настоящему раскрыло свой потенциал, нужна концентрация интеллектуальных ресурсов. К одной из них реализован открытый облачный доступ — с использованием этой квантовой сети можно создавать собственные приложения. Можно добавлять новые устройства, прототипировать протоколы обмена и взаимодействия.