Квантовые компьютеры и квантовый интернет сегодня и завтра

Квантовые компьютеры и квантовый интернет сегодня и завтра Есть ли пределы развитию компьютерной индустрии? С учётом темпов этого развития за последние полстолетия поневоле складывается довольно радужное впечатление о перспективах дальнейшего совершенствования информационных технологий. Хотя не далее, как в 2007 году небезызвестный Гордон Мур заявил, что его закон, предсказывающий удвоение числа транзисторов на кристалле интегральной схемы каждые два года, судя по всему, совсем скоро перестанет действовать по банальной причине атомарной природы вещества и ограничения скорости света…О возможностях преодоления упомянутой выше скорости спорить пока что не будем, но в отношении атомов очень даже возможно, что дело обстоит далеко не так печально. Ведь как ещё в середине 1980-х, когда персональные ЭВМ только начинали свой триумфальный путь на смену мэйнфрэймам, утверждал ещё более знаменитый американский физик, Нобелевский лауреат Ричард Фейнман (1918–1988): «Похоже, что законы физики не представляют никакого предела уменьшению размера компьютеров вплоть до того, что биты станут величиной с атомы и властвовать начнёт квантовое поведение».Собственно, квантовые компьютеры, которые отчасти преодолевают ограничения атомарной природы вещества и о которых на ITC.UA подробно рассказывалось ещё целое десятилетие назад, существуют на бумаге вот уже лет так тридцать с лишним, благодаря исследованиям всё того же Фейнмана, выдвинувшего идею такого устройства в 1981 году, – хотя даже чуть раньше и независимо от него это сделал уроженец Симферополя математик Юрий Манин. Напомним, что в «обычных» компьютерах носители, от перфокарт и транзисторов, содержат в себе информацию, закодированную в двоичной системе счисления: наличие или отсутствие отверстия, индукция магнитного поля больше или меньше пороговой величины и просто состояния «вкл. / выкл.» переводятся в биты, состоящие из нулей и единиц.Квантовые компьютеры и квантовый интернет сегодня и завтраВнутренний вид «квантового компьютера» от IBM.Квантовые аналоги «битов», именуемые «кубитами» (от quantum bit – что, кстати сказать, во многих языках удачно совпадает по звучанию с древнегреческой и древнеримской единицей измерения длины, аналогом «локтя»), как носители информации компьютера качественного иного типа отличаются способностью к так называемой «суперпозиции» – умению находиться сразу в обоих состояниях (условно говоря, «1» и «0») одновременно, но только до тех пор, пока такое состояние не будет измерено. В теории такая странная особенность субатомных частиц вот уже почти столетие служит предметом многих споров и сложных гипотетических ситуаций, вроде знаменитого (и очень несчастного) «кота Шрёдингера», вынужденного быть одновременно и живым, и мёртвым в коробке с радиоактивным веществом, в котором возможный распад одного из атомов причиняет активизацию смертельного яда. Однако на практике такие малопонятные свойства атомов давно уже используются – и сфера компьютерных технологий тому не исключение.Хитрость заключается в том, что если в самом начале вычислений перевести систему, состоящую из квантовых носителей информации с внесёнными исходными данными, в состояние суперпозиции, такие вычисления будут производиться для всего полученного набора данных параллельно – то есть, с огромным ускорением в решении задачи. Правда, возникает проблема измерения таких вычислений – поскольку, подобно тому, как и кот Шрёдингера, если открыть коробку и «посмотреть» на его состояние, всегда окажется в результате либо живым, либо мёртвым, так и «кубиты» при измерении их данных смогут дать нам лишь один ответ, не смотря на весь «параллелизм» предшествующих этому измерению вычислений. А потому, при всех достоинствах и невиданных преимуществах такого рода ЭВМ, использовать его получится далеко не для любых расчётов.В 1990-х годах было предложено сразу несколько возможных схем работы квантового компьютера, названных именами выдвинувших их учёных. Так, алгоритм Питера Шора из Bell Laboratories предусматривает, что нас может интересовать не вся последовательность значений функции, а только её период, куда более доступный для измерения. Зато при помощи этого алгоритма на квантовом компьютере можно с небывалой скоростью – где-то в 100 млн. раз быстрее! – решить задачу факторизации, то есть определения простых множителей больших чисел, что, в свою очередь, позволяет чуть ли не моментально расшифровывать криптографические алгоритмы с открытым ключом, поскольку существующие ныне RSA-криптосистемы как раз и строятся на недоступности этой задачи текущим мощностям обычных ЭВМ.Квантовые компьютеры и квантовый интернет сегодня и завтраЭлемент квантового компьютера в представлении художника: нанотрубка с фуллеренами – молекулярными соединениями в виде футбольного мяча и с атомами азота внутри, которые и выступают в качестве «кубитов». © 2013 Karl Nyman; OxfordQuantum.org.Получается, что квантовые компьютеры никак не могут претендовать на место обычных, электронных, – они способны выступать скорее дополнением к ним, организуя помощь в решении особого рода задач. Так что перспектива скорого обзаведения карманными квантовыми ПК для домашних пользователей пока что оказывается весьма отдалённой – тем более что и на пути простого воплощения идеи вычислительных машин на основе кубитов имеется немало препятствий. Во-первых, чтобы «запустить» решение любой задачи на квантовом компьютере, сначала нужно произвести, что называется, «инициализацию» кубитов, приведя их в «нулевое», исходное состояние, – а для этого в свою очередь требуется охлаждение носителей информации до температур, близких к абсолютному нулю. Стало быть, существовать устройства нового типа могут лишь в особых криокамерах с экстремальной заморозкой.Во-вторых, – и эта проблема намного более сложная, – квантовые биты, – столь же подвержены ошибкам в вычислениях, как и обычные ЭВМ. На середину 1990-х годов уровень ошибок достигал запредельных десяти процентов – тогда как теоретически допустимым значением является 0,0001%. В настоящее время учёным удалось снизить этот показатель до уровня менее одного процента, – и хотя работы предстоит ещё немало, по умеренно оптимистическим прогнозам достичь удовлетворительной работоспособности квантовых компьютеров планируется уже где-то в начале 2020-х годов.Квантовые компьютеры и квантовый интернет сегодня и завтраСотрудница IBM осматривает криостат с новым прототипом коммерческого квантового процессора внутри. Упомянутые ошибки происходят по причине явления, которое называется «декогерентизация», – или, проще говоря, потеря связи между двумя взаимодействующими частицами. Причём это как раз ещё одна уникальная особенность субатомных элементов, способная принести немало пользы при условии использования кубитов в качестве носителя информации: квантовые частицы, даже будучи очень хорошо изолированными друг от друга, могут находиться в связанном (или, по выражению всё того же Шрёдингера, «спутанном» – entangled) состоянии, в котором они неким образом зависят друг от друга. Другими словами, квантовое состояние одной частицы не может быть описано отдельно от другой (например, если показатель «спиральности» у первой из них оказывается положительным, то у второй он обязательно будет отрицательным), а значит – измерение одной из частиц будет означать и моментальное прекращение «неопределённости» в отношении её пары.Теоретически такая «спутанность» сохраняется на любом расстоянии: данное явление передачи квантового состояния от одной частицы к другой получило название «квантовой телепортации» (которая имеет мало общего с телепортацией в смысле обыденного – фантастического – словоупотребления). Последние актуальные эксперименты в этой области были проведены китайскими учёными в июне 2017 года: при помощи специального спутника, передающего фотоны инфракрасного света, был продемонстрирован феномен сохранения взаимодействия связанных квантовых частиц на рекордном расстоянии в 1203 км. Так что если даже между «членами пары» и происходит какое-либо скрытое взаимодействие, то его скорость должна во много раз превышать ту самую скорость света, которая – как принято считать – накладывать непреодолимое ограничение в том числе и на дальнейшее развитие компьютерных технологий! Впрочем, как глубокомысленно советовал по этому поводу уже неоднократно упоминавшийся Р. Фейнман: «Я думаю, можно с уверенностью сказать, что никто не понимает квантовую механику… По возможности не задавайтесь вопросом: «Но как же так может быть?» – потому что вас «засосёт» в такой тупик, из которого ещё никто не выбирался».
Квантовые компьютеры и квантовый интернет сегодня и завтра«Мо-цзы» – первый в мире спутник, предназначенный для квантовой передачи информации по каналу связи, гарантированно защищённому от хакеров. В июне 2017 года он смог транслировать «спутанные» фотоны на станции, расположенные в китайских городах Дэлинха и Лицзян, физическое расстояние между которыми составляет 1203 км.Руководитель китайской группы учёных, специалист по квантовой «связанности» Цзянь-Вэй Пань, настроен весьма оптимистически: по его уверениям, в ближайшие пять лет будет запущено ещё несколько спутников такого рода, а к 2030 году квантовая связь станет международной, так что можно будет говорить и о настоящем «квантовом интернете». Большинство других учёных более осторожны в своих выводах – так, канадский физик Томас Дженневейн считает, что само понятие «квантовый интернет» пусть и звучит красиво, но пока что остаётся не очень-то определённым, да и сама технология пребывает ещё во младенчестве: управлять квантовыми сигналами на достаточном для передачи информации уровне учёные на данный момент не умеют. «Мо-цзы» стоимостью в сотню миллионов долларов способен только транслировать и принимать пучки кантов, но не хранить в памяти информацию, – а поскольку усилению квантовые сигналы, в отличие от обычных электронных, не подлежат, то для намеченного покрытия Земли сетью спутников потребуется не только их радикальное удешевление, но и разработка не существующих ещё репитеров, – и далеко не факт, что все эти гипотетические достижения смогут увидеть ныне живущие поколения.Собственно, «квантовый интернет» вряд ли способен привнести что-либо принципиально новое в процесс передачи информации по каналам дистанционной связи: для общения между людьми обычных «единиц» и «нулей» вполне достаточно, и привлечение суперпозиции и спутанности ничего к этому не прибавит. Ведь раз уже любое измерение квантовой системы меняет её состояние, «квантовая информация» не может быть скопирована традиционным образом; другое дело, что точно так же, как квантовые компьютеры представляют собой потенциально полезное дополнение к электронным вычислительным устройствам, предназначенное для скоростного выполнения специфических задач, – так и в области связи «квантовый интернет» может выступить специализированной версией «обычного». И прежде всего – более защищённой и безопасной, поскольку не только декодирование, но и зашифровка сообщений оказывается сильной стороной именно квантов.Квантовые компьютеры и квантовый интернет сегодня и завтраФотоснимок кристалла со «спутанными» фотонами. © Flix Bussires; University of Geneva.Перспективную идею такого использования квантовых компьютеров в области коммуникации подал в 1991 году Артур Экерт, британский учёный (в хорошем смысле этого словосочетания) польского происхождения, специалист по части как квантовой физики, так и криптографии, продемонстрировавший на бумаге, каким именно образом феномен квантовой спутанности может служить для достижения небывалого уровня безопасности в деле шифрования сообщений. Речь идёт, в частности, о том, что один из двух связанных фотонов передаётся на дальнее расстояние, где взаимодействует с третьей частицей, причём состояние этого третьего фотона передаётся не только второму, с которым он непосредственно встречается, но и мгновенно «телепортируется» к его близнецу, фотону №1. Благодаря этому свойству достигается передача секретных сообщений: когда двое людей обмениваются «спутанной» парой частиц, квантовое состояние – своего рода «информация», пусть и не в полноценном смысле этого слова, – передаётся между ними без какого бы то ни было материального носителя и непосредственного взаимодействия, что буквально исключает возможность перехвата таких сведений третьим лицом.Квантовые компьютеры и квантовый интернет сегодня и завтраНе самая простая для понимания схема устройства «квантового интернета».В настоящее время несколько компаний уже предлагают и коммерчески доступные устройства, основанные на применении такого рода криптографии. Например, швейцарская idQuantique ещё в 2007 году обеспечивала технологию кодировки при передаче результатов голосований на выборах из Женевы в Берн, объявив, что полная безопасность и защита транслируемых данных гарантирована железными законами физики. Правда, те особенности поведения квантовых частиц, благодаря которым «подсмотреть» их состояние невозможно, ибо это будет означать изменение такового, а значит, факт «перехвата» сразу же станет известным, – эти особенности делают практически бессмысленной передачу информации таким «самоуничтожающимся» образом, но зато позволяют применить отличный способ обмена ключами для расшифровки закодированной информации, передаваемой уже обычным способом. Данная технология называется «квантовым распределением ключей»: после того, как ключи переданы и подтверждены, – а значит, никто не смог «подсмотреть» их по пути, иначе изменение в состоянии частицы было бы очевидно, – можно приступать к шифрованию информации и её непосредственной трансляции, которая, таким образом, будет сопряжена с минимумом возможных рисков.Конечно, практикуемый на данный момент вариант квантовой технологии не лишён и ряда недостатков: хакеры даже рапортовали в своё время об успешном взломе «предельно безопасного» канала связи, – хотя учёные и уверяют, что все возможные утечки были связаны с техническими ошибками в реализации теоретически неуязвимого квантового кодирования (которые ими постоянно устраняются по мере совершенствования технологий). Другая проблема несколько менее приятна: текущая версия коммерческой реализации квантового распределения ключей требует дорогостоящего серверного оборудования и оптического кабеля, передаётся по этому последнему в тысячу или даже в десять тысяч раз медленнее обычной информации и не далее, чем на расстояние в 100 км. Так что остаётся только дожидаться гипотетического внедрения квантовых репитеров, чтобы если и не транслировать информацию, то передавать ключи для дешифровки при помощи спутников, подобных «Мо-Цзы».Квантовые компьютеры и квантовый интернет сегодня и завтраПрогнозируемое использование квантовых спутников Квантовое распределение ключей.Как можно увидеть результате этого небольшого обзора, проекты, основанные на закономерностях квантовой механики, – по крайней мере, пока что – далеки от того, чтобы представлять собой новую революцию в области информационных технологий. Квантовые компьютеры и тем более «квантовый интернет» даже в теории и на бумаге не столько заменяют, сколько дополняют собой ныне существующие способы вычисления и передачи данных. Первые оказываются слишком уж сложными в обслуживании специализированными, предназначенными для решения определённых задач, а потому больше подходят для «облачных» вычислений, уже практикуемых некоторыми «пионерами», – а вторые потенциально способны помочь в достижении высочайшего уровня безопасности трансляции информации по сети, но требуют ещё немалого усовершенствования. Тем не менее, как сообщает в своих последних победных рапортах IBM, её проектом тех самых облачных вычислений на сравнительно небольшом квантовом компьютере уже воспользовалось более 60 тысяч пользователей, проведших 1,7 с лишним миллионов квантовых экспериментов. А значит, вполне вероятно, что новые открытия не за горами.
Stfw.Ru
Читайте также


Россия и Узбекистан достроят крупнейший в мире радиотелескоп для проверки гипотезы о том, что между разными галактиками существуют коридоры, так называемые кротовые норы. Базой международной обсерватории станет площадка на плато Суффа в Узбекистане, где 70-метровый радиотелескоп начали строить в 1980-е годы. Планируется, что "дорожная карта" проекта будет подписана на этой неделе. Для завершения работ требуется около 4 млрд рублей. Первые наблюдения ученые рассчитывают провести в 2023-2028 годах.Астрономический долгостройПлато Суффа находится на высоте более 2,5 тыс. м над уровнем моря, на границе с Таджикистаном. Оно было выбрано в 1980-е годы, как одно из лучших мест на территории СССР с точки зрения астроклимата: здесь 250 солнечных дней в году, разреженный воздух, и атмосфера дает минимальное поглощение радиосигнала. К моменту распада СССР строители успели возвести фундамент телескопа РТ-70 и установить на него гигантскую вилку - более чем стотонную конструкцию, соединяющую фундамент телескопа и его чашу (зеркало).Проект шел полным ходом, к 1991 году успели создать всё, кроме гигантской чаши телескопа. Если бы Советский Союз прожил еще два года, мы бы имели этот инструмент работающим, - уверен ведущий научный сотрудник Института прикладной физики РАН Вячеслав Вдовин, один из инициаторов возрождения проекта. - РТ-70 предназначен для работы в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах радиоволн. Мировая астрофизика активнейшим образом устремилась в эти диапазоны, так как здесь лежит колоссальное количество актуальных астрофизических задач: от изучения черных дыр и "кротовых нор" - коридоров, которые, как считают теоретики, соединяют различные точки во Вселенной, до исследования предельно ранней и предельно холодной Вселенной.Лидирующий проект в радиоастрономии заморозили на 27 лет. За это время были построены 64-метровый радиотелескоп на острове Сардиния (Италия), также предназначенный для фундаментальных исследований в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне радиоволн, 50-метровый инструмент в Мексике, несколько крупных аналогичных объектов в Китае и комплекс ALMA (Атакамская большая антенная решетка миллиметрового диапазона), состоящий из 66 антенн.Россия же на сегодня располагает 22-метровым инструментом в Крыму, но он работает в диапазоне длины волны не менее 3 мм и не охватывает других "окон" прозрачности атмосферы, в которые можно заглянуть за ее "горизонт": 2 мм, 1,3 мм, 0,8 мм. А эффективная поверхность этой антенны составляет около 20% от ее общей площади. Еще есть два совсем небольших, 7-метровых, телескопа под Дмитровом, но под Москвой место для наблюдений в интересующем астрономов диапазоне совсем не привлекательное. Атмосферное одеяло "съедает" все излучение, приходящее от дальних и холодных объектов.РазморозкаНа консервацию объекта на плато Суффа на протяжении всех 27 лет Республикой Узбекистан выделялись средства, вспоминает директор Радиообсерватории РТ-70 Академии наук Узбекистана Геннадий Шанин.- Небольшие, но достаточные для того, чтобы сохранить сооружение в приличном состоянии. В первые годы приходилось непросто - сторожили по ночам, чтобы ничего не растащили. Затем по решению президента Узбекистана Ислама Каримова у строящегося объекта поставили военный пост, - отметил он.По словам Вячеслава Вдовина, было несколько импульсов к возрождению проекта, но дело сдвинулось после того, как в июне 2018 года президент РАН Александр Сергеев и первый заместитель министра науки и высшего образования Григорий Трубников побывали на площадке замороженного строительства.- Стоимость достройки обсерватории оценивается в 4 млрд рублей. Разработана дорожная карта проекта на два года. Ее подписание президентом РАН Александром Сергеевым и президентом Академии наук Узбекистана Бехзодом Юлдашевым запланировано на 18-19 октября в Ташкенте, во время встречи лидеров двух стран на высшем уровне, - рассказал Геннадий Шанин. - Согласно документу, за два года нужно зарегистрировать международную обсерваторию "Суффа" как субъект международного права, проработать технико-экономическое обоснование и провести расконсервацию. Затем еще около трех лет потребуется, чтобы завершить строительство.Глубокий взгляд во ВселеннуюВ готовом виде эффективность зеркала главного инструмента обсерватории "Суффа" будет сопоставима с самым крупным радиоастрономическим инструментом - проектом ALMA.- В ALMA 66 маленьких 12-метровых и 7-метровых зеркал, которые реализуют режим интерферометра: они все одновременно "смотрят" в одну точку. Суммарная поверхность всех этих зеркал будет соизмерима с поверхностью РТ-70, - полагает Вячеслав Вдовин.По мнению вице-президента РАН Юрия Балеги, на достройку и запуск телескопа потребуется 7-10 лет. PT-70 будет уступать комплексу ALMA, расположенному в горах на высоте 5 км, по астроклиматическим характеристикам, но он сможет собирать в своей чаше более слабые сигналы, сказал "Известиям" Юрий Балега.- Он сможет заглянуть во Вселенную глубже, чем ALMA, и исследовать холодный космос, пылевые облака, ядра активных галактик. Это будет самый большой телескоп в мире, работающий в диапазоне длинны радиоволны около 1 мм, - отметил он.РТ-70 сможет работать совместно с проектом ALMA и с орбитальным телескопом проекта "Миллиметрон", который планируется запустить на орбиту после 2025 года.Для чего у нас два глаза? Бинокулярное зрение позволяет нам лучше оценивать расстояние и создавать объемную картинку, - поясняет Вячеслав Вдовин. - Если вы эти два "глаза" разнесете на несколько млн км, а при совместной работе с орбитальным телескопом расстояние между инструментами составит около 350 тыс. км, то наблюдаемые нами таким образом объекты будут смотреться не в виде точки, а объемно. Если мы сделаем чувствительные приемники и разнесем их на такое расстояние, то сможем заглянуть в "кротовые норы", заглянуть в небо чужой Вселенной. Это захватывающая задача!В проект РТ-70 была заложена адаптивная система, которая компенсирует деформацию зеркала при поворотах инструмента, сохраняя точность его поверхности, добавил Геннадий Шанин.- Мы хорошо отслеживаем, как идет строительство больших телескопов в мире, еще никто не смог создать такую адаптивную систему, - уверен он.Юрий Балега также полагает, что компенсировать деформации удастся, так как найдены инженерные решения. Но в научной среде есть и скептики, уверенные, что эту задачу решить не получится.При корректировке проекта ученые стремятся придать ему многофункциональность: развернуть в международной обсерватории зондирование астероидов и космического мусора, построить оптический телескоп, установить высокоэффективные солнечные батареи, разрабатываемые в петербургском Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе для обеспечения резервной системы энергоснабжения обсерватории.
http://stfw.ru


Примечание: При комментировании материала просим соблюдать законы Российской Федерации. Пожалуйста, воздержитесь от оскорблений и токсичного поведения.

Сводка событий

10:10 [Мираж "Берёзки"] Девальвируй и недоплачивай. Ослабление "деревенеющего" на глазах рубля помогает экспортерам, работающим за иностранную валюту, но - за счет граждан и других отраслей промышленности


01:10 Хамил и угрожал. В Самаре задержали второго за сутки пьяного футболиста за рулём


01:10 Ситуация вокруг Лавры в Киеве: тысячи людей идут на её защиту


01:10 Сборная России обыграла Турцию в матче Лиги наций


01:10 Избитый Пак оценил мировую с Кокориным в 100 млн рублей


01:10 Старт продаж смартфона Meizu Х8 отложили на 10 дней


01:10 Игровой смартфон Huawei Mate 20X показали на "живых" фото


01:10 В Geekbench засветился смартфон Xiaomi Mi6S на Snapdragon 835


01:10 Xiaomi представила обновленную рацию Mijia Walkie Talkie 1S


14:10 Подзаряжаемый гибрид Ford C-Max Energi: просторный, «зеленый», дешевый?


14:10 Украинских ветеранов войны в Донбассе поздравили клипом с ополченцами


14:10 "...в джунглях есть только один король. Конечно, это я" (Хабиб Нурмагомедов вызвал Флойда Мейвезера на бой)


14:10 Строители соединили российскую и китайскую части моста через Амур (Мост Нижнеленинское - Тунцзян - первый железнодорожный мост между Россией и КНР)


События из мира ИТ