Квантовые технологии

В цифровую эпоху, когда киберугрозы становятся все более изощренными, а ценность информации растет в геометрической прогрессии, на первый план выходит задача обеспечения надежной защиты данных. В этом контексте критически важным становится не только использование сильных криптографических алгоритмов, но и эффективное управление ключами шифрования. Традиционные подходы, основанные на доверии к централизованным системам и человеческому фактору, уже не обеспечивают достаточного уровня безопасности.

Сегодня мы находимся на пороге новой эры в криптографии, где автоматизация управления ключами и интеграция с квантовыми сетями создают неприступную крепость для защиты информации. Речь идет о решениях, которые не просто шифруют данные, а обеспечивают полный контроль над жизненным циклом криптографических ключей, исключая возможность их компрометации или несанкционированного использования.

Китайская государственная компания заявила о первом успешном звонке с поддержкой квантового шифрования на расстоянии в 1000 км. China Telecom Quantum Group испытала новую технологию для межрегиональной связи Пекина и Хэфэйя. Система использует «сквозное квантовое шифрование» для безопасной коммерческой связи.

Арифметический аргумент против квантовых вычислений такой: квантовый компьютер на тысячу кубитов потребует переменных для «хранения» состояний, это слишком много. Является ли максимальная размерность пространства состояний непреодолимым препятствием для квантовых вычислений?

В прошлый раз мы разбирали (и отлично так разобрали, на 200+ комментариев), почему нейросети на самом деле не являются сильным ИИ, а само появление последнего весьма маловероятно. Сегодня объектом нашего рассмотрения станет следующая священная корова технологического прогресса — так называемые «квантовые компьютеры», которые в воображении адептов уже практически готовы и вот-вот начнут вести нас за ручку в золотой век человечества.

Квантовые компьютеры — спящая угроза, которая может сломать современную защиту данных. Представьте: злоумышленники уже копят зашифрованную информацию, чтобы взломать её, как только появятся достаточно мощные квантовые машины. В этой статье будет рассказано будущее криптографии: какие алгоритмы станут ненадёжными, как работают квантовые атаки и какие технологии (вроде решёточного шифрования и хеш‑подписей) придут на смену. Вы узнаете, что делают Google, IBM и Microsoft в гонке за квантовое превосходство и как подготовиться к грядущим изменениям уже сегодня.

Вторая половина 1990-х и начало нулевых годов нашего века было временем, когда физики перешли от теории к практике. Были опробованы технологии манипуляции лазером с удерживаемыми ионами (ионами бериллия, удерживаемые в электромагнитной ловушке), которые выполняли роль кубитов, фундаментальных единиц квантовой информации. Также был реализован на практике первый квантовый логический вентиль. Появились сверхпроводящие кубиты, основанные на эффекте Джозефсона, с достаточно длительным временем когерентности и, главное, возможностью контролировать их квантовую когерентность. Были проведены эксперименты с использованием фотонов в качестве кубитов, которые демонстрировали относительно низкую скорость декогеренции, поскольку они слабо взаимодействуют с окружающей средой. Ими легче было манипулировать, передавать их на большие расстояния и использовать даже при комнатной температуре. 

Если вы работаете с виртуальными мирами, создаёте сложные симуляции или просто интересуетесь тем, куда движется наука, то этот термин точно начнёт всё чаще попадаться на глаза: квантовое моделирование. Звучит как что-то из научной фантастики, но на самом деле — это уже рабочая технология. Пока экспериментальная, но с огромным потенциалом.

В этой статье разберёмся, что это такое, где это уже применяют и при чём тут вообще геймдев.

Текущий 2025 год провозглашен Генеральной Ассамблеей ООН Международным годом квантовой науки и технологий (International Year of Quantum Science and Technology — IYQ). Далась ООН эта всемирная инициатива не сразу и не просто. Как подчеркивается в этой Декларации ООН, она стала кульминацией многолетних усилий, предпринятых международной коалицией научных организаций. В список участников этой коалиции входили Международный союз теоретической и прикладной физики (IUPAP), Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC), Международный союз кристаллографии (IUCr) и Международный союз истории и философии науки и техники (IUHPST), Американское физическое общество, Немецкое физическое общество, Китайское оптическое общество, Международное общество оптики и фотоники (SPIE) и еще ряд организаций, включая одобрившую это начинание Российскую Академию наук. 

Представьте, что информацию в квантовом компьютере можно передавать не за счёт сложных проводов и резонаторов, а прямым перемещением самих квантовых битов – как по конвейерной ленте. В недавних новостях сообщается, что российские учёные предложили именно такой подход: «летающие кубиты», управляемые магнитным полем. Их метод позволяет переключать квантовые регистры в режим передачи данных, где квантовое состояние передается по цепочке без потерь, подобно падающим костяшкам домино. Разберёмся, зачем нужны такие летающие кубиты, как они работают и какие перспективы открывают – опираясь на современные исследования и примеры в оптике и спиновых системах.

Почему фотоны исчезают в тёмных полосах интерференции? Что значит — «каждый фотон интерферирует только с самим собой»? И как природа вообще позволяет одному и тому же объекту вести себя как частица и как волна одновременно — пока вы на него не смотрите?

Эта статья — попытка аккуратно, но живо разобрать то, что Фейнман называл «единственной настоящей загадкой квантовой механики». Без мистики, без занудства — с ясными объяснениями, визуализацией, реальными экспериментами и последними интерпретациями, включая квантовый ластик, многомировую картину и информационную природу реальности.

Для тех, кто хочет не просто услышать про двойную щель, а наконец понять, что там происходит.

Квантовые вычисления — будущее или просто дорогая игрушка? Технология обещает революцию в мире вычислений, но пока остается в рамках научных экспериментов и дорогостоящих разработок. В этой статье мы разберем основные принципы квантовых технологий, выясним, какие задачи уже могут решать квантовые компьютеры и что мешает их массовому использованию.  Попробуем понять и предсказать, как эти вычислительные машины могут изменить привычный мир технологий.

Квантовые компьютеры часто звучат как что-то из научной фантастики – говорят, они способны на чудеса вычислений, недоступные обычным ПК. Но это не магия, а реальная технология, основанная на законах квантовой физики. Квантовые компьютеры уже существуют и работают в лабораториях по всему миру, хотя пока далеки от повседневного использования. К теме приковано огромное внимание: правительства инвестируют миллиарды (Китай, США, Европа и др.) в развитие квантовых технологий, а ведущие компании соревнуются, кто продвинется дальше. Давайте разберёмся простыми словами, что такое квантовый компьютер, чем он отличается от привычного, за счёт чего достигается его мощность и как эти странные машины могут изменить наш мир.

Недавно я разместила на Хабре статью о своем первом AI‑продукте и в комментариях под статьей, к моему большому удивлению, развернулась интересная дискуссия о кварках. И я подумала, раз есть такой интерес к этой теме — напишу свое видение и разложу по полочкам так, что для одних она станет первой дверью в мир науки, для других — новым взглядом на старые концепции, а для третьих, возможно, перевернет представление о природе мира и человека.

Квантовой механике в этом году исполняется 100 лет. В 1925 году Гейзенберг сформулировал матричную механику. Тем не менее за прошедшие 100 лет механизм измерения и связанного с ним коллапса волновой функции так и не был понят. И сколько нибудь существенного прогресса в этом направлении, насколько мне известно, нет.

В этой заметке я хочу еще раз обратиться к анализу возможности сверхсветовой передачи классической информации с помощью процедуры измерения. No‑communication theorem, судя по Википедии, существенно опирается на унитарность измерения (матрица Vk) в пространстве Алисы (проводящей измерение, благодаря которому она хочет передать бит). Но как мне видится, не каждое измерение поддается такой формализации. Наверное наиболее явный пример — измерение через поглощение частицы, в этом случае пространство состояний Алисы исчезает. Ниже я приведу схемы установки, которая, как мне думается, позволяет обойти допущения No-communication theorem и осуществить сверхсветовую передачу данных.

Реально существующие, работающие квантовые компьютеры, их технические характеристики, перспективы и возможности

Интересно, как и где мы сейчас можем использовать квантовое железо?

Оказывается, что можем! Оказывается всё обстоит гораздо лучше, чем казалось бы.

Будущее уже здесь.

В практической криптографии особое внимание уделяется атакам по побочным каналам (side-channel attacks). Они позволяют злоумышленникам извлекать секретную информацию, не взламывая сам алгоритм шифрования, а лишь анализируя особенности его исполнения на физических устройствах. Эти атаки особенно опасны, поскольку обходят традиционные способы защиты.

Такие косвенные методы атак становятся возможны потому, что вычислительные устройства в процессе работы поглощают электрическую энергию, излучают электромагнитные и акустические волны, а также исполняют инструкции за разное время. Всё это происходит в зависимости от изменения данных на регистрах и может нести информацию о ключе шифрования, нарушая секретность по Шеннону.

К атакам по побочным каналам потенциально уязвимы даже самые передовые криптографические схемы, включая постквантовые, разрабатываемые на будущее для противодействия взлому с использованием квантового компьютера.

Методам защиты постквантовых криптографических схем от атак по побочным каналам посвящено исследование заместителя руководителя лаборатории криптографии по научной работе компании «Криптонит» Ивана Чижова и магистра МГУ Дмитрия Смирнова. Данное исследование представлено в рамках выступления на конференции РусКрипто’2025. В нём рассматривается группа схем постквантовой электронной подписи, построенных на основе протокола идентификации Штерна. Одной из них является российский «Шиповник» – разработка экспертов-криптографов компании «Криптонит» в рамках деятельности рабочей группы Технического комитета Росстандарта (ТК 26).

Эффект квантового превосходства остаётся самым очевидным и при этом труднообъяснимым преимуществом квантовых компьютеров над классическими. Квантовое превосходство наступает в момент, когда квантовый компьютер оказывается в состоянии выполнить вычисление, недоступное классическому компьютеру.  Впервые квантовое превосходство было достигнуто в октябре 2019 года на компьютере Google Sycamore, для вычислений на котором используются 53 кубита. Этот эксперимент был подробно описан уважаемым Тимуром Кешелавой в статье «Квантовое превосходство», вышедшей по горячим следам эксперимента. Сегодня реальность квантового превосходства уже не вызывает сомнений, и учёные пытаются определить, чем можно объяснить этот эффект. Уважаемый @dionisdimetor ещё в 2023 году написал на Хабре подробную статью «Квантовый компьютер: его превосходство, несходство и недосходство в сравнении с классическим», и в этой статье упомянул одну экзотическую идею. По мнению ряда учёных, среди которых особенно заметен Дэвид Дойч, квантовый компьютер экспериментально свидетельствует в пользу многомировой интерпретации квантовой механики, предложенной Хью Эвереттом. Ранее на Хабре уважаемый @SLY_G публиковал на сайте перевод статьи «Многомировая интерпретация и мультивселенная — могут ли они оказаться одной и той же идеей» под авторством знаменитого физика Шона Кэрролла (род. 1966). Если вас интересует подробный разбор многомировой интерпретации с точки зрения квантовой и классической физики, рекомендую прочитать увлекательную книгу Шона Кэрролла «Квантовые миры», которую я в своё время перевёл на русский язык для издательства «Питер». Ниже попробуем разобрать, как с такой интерпретацией согласуется квантовое превосходство.  

Компания Microsoft сделала значительный шаг вперёд в сфере квантовых вычислений, представив чип Majorana 1 с топологическими кубитами на основе фермионов Майораны. Эта технология обещает решить проблемы квантовых систем — нестабильность и высокий уровень ошибок — и приблизить эру доступных квантовых компьютеров.