Квантовые технологии

Международная группа ученых из России, Великобритании и Германии продемонстрировала альтернативную конструкцию кубита, которая может быть использована для построения квантового компьютера. Основным элементом этой конструкции являются нано-проволоки из сверхпроводника. Уже в первых экспериментах новый сверхпроводниковый кубит показал себя не хуже традиционных кубитов, построенных на джозефсоновских переходах.



Схема и рисунок нового кубита

Прием заявок на участие в Positive Hack Days идет полным ходом. По многочисленным просьбам мы продлеваем Call for Papers до 31 марта. Это значит, что у всех желающих выступить на форуме есть еще пара недель, чтобы подать заявку.

Недавно мы анонсировали первого ключевого докладчика PHDays 8 — им станет известный разработчик дизассемблера IDA Pro и декомпилятора Hex-Rays Ильфак Гильфанов. Ну а сегодня представляем вашему вниманию группу участников, чьи доклады уже вошли в основную программу PHDays. В этом году посетители форума узнают, как обойти корпоративную систему распознавания лиц, чем опасны умные автомобили и как злоумышленники взламывают IoT-устройства.

Корпорация Google представила 72-кубитный квантовый процессор Bristlecone. С помощью этого процессора подразделение Google Quantum AI lab, ответственное за разработку квантового компьютера, будет тестировать системные ошибки и масштабируемость технологии, а также области применения квантовой симуляции, оптимизации и машинного обучения «для решения проблем реального мира», как пишет компания в блоге.

Идея слияния квантовых вычислений и машинного обучения находится в своём расцвете. Сможет ли она оправдать высокие ожидания?

В начале 90-х Элизабет Берман [Elizabeth Behrman], профессор физики в Уичитском университете начала работать над слиянием квантовой физики с искусственным интеллектом – в частности, в области тогда ещё непопулярной технологии нейросетей. Большинство людей считало, что она пытается смешивать масло с водой. «Мне чертовски трудно было публиковаться, — вспоминает она. – Журналы по нейросетям говорили „Что это за квантовая механика?“, а журналы по физике говорили „Что это за нейросетевая ерунда?“

Сегодня смесь двух этих понятий кажется самой естественной вещью на свете. Нейросети и другие системы машинного обучения стали самой внезапной технологией XXI века. Человеческие занятия удаются им лучше, чем у людей, и они превосходят нас не только в задачах, в которых большинство из нас и так не блистали – например, в шахматах или глубоком анализе данных, но и в тех задачах, для решения которых эволюционировал мозг – например, распознавание лиц, перевод языков и определение права проезда на четырёхстороннем перекрёстке. Подобные системы стали возможными благодаря огромной компьютерной мощности, поэтому неудивительно, что технокомпании начали поиски компьютеров не просто побольше, а принадлежащих к совершенно новому классу.

Физика релаксации квазичастиц в ультратонких сверхпроводящих пленках, терагерцовые смесители и однофотонные детекторы – все это достижения профессора, доктора физико-математических наук МПГУ, основателя ООО «Сконтел» Григория Гольцмана.

В 2009 году Григорий Гольцман был номинирован на премию Ван Дузера. А в 2017-м первым из российских ученых получил премию IEEE Award Совета по сверхпроводимости за продолжительный и существенный вклад в изучение и развитие прикладной сверхпроводимости.

О своих исследованиях, разработках, совмещении науки и предпринимательства профессор рассказал нам в интервью.

Предел Гейзенберга преодолеть нельзя, но, если хорошенько посчитать, приблизиться к нему можно

Квантовые вычисления основываются на контроле квантовых состояний. В последнее время появляется всё больше новостей о том, как квантовые компьютеры что-то вычисляют, и возможность контролировать такие компьютеры воспринимается, как нечто само собой разумеющееся. Но на самом деле, этот контроль всё ещё служит ограничивающим фактором для разработки квантовых компьютеров.

В сердце всей этой темы находятся кубиты, квантовые объекты, используемые для кодирования информации. Часть возможностей квантового компьютера происходит из того, что кубит можно перевести в состояние суперпозиции, позволяющего организовывать параллельные вычисления. Цель квантовых алгоритмов — такая манипуляция состояний суперпозиции кубитов, чтобы при измерении кубита он возвращал двоичное значение, соответствующее правильному ответу.

Квантовая криптография позволяет сделать общение людей полностью безопасным, защитив каналы связи от прослушивания. Эта технология становится все более важной. Физики уже давно знают, что квантовые компьютеры (когда они появятся в пригодном для работы виде) позволяют взломать любые типы криптографической защиты. Ну а поскольку появление коммерческих квантовых компьютеров не за горами, то ученым приходится изобретать все более сложные методы защиты данных. Все это — в интересах бизнеса, правительственных организаций, военных.

В целом, квантовая криптография важна для всех, кому нужна практически стопроцентная защита от взлома. Но здесь есть одна проблема. Дело в том, что квантовая криптография работает с отдельными фотонами, которые и несут квантовую информацию. Но даже лучшие оптоволоконные кабели могут вести фотоны на расстояние не больше 200 км, прежде, чем абсорбционный процесс сделает все эти попытки бессмысленными. Поэтому квантовая криптография ранее работала (и то в тестовом варианте) лишь на коротких расстояниях.

Мы стали свидетелями второй квантовой революции, считает профессор физики Александр Львовский. Он аргументирует это тем, что человечество научилось управлять квантовыми системами на единичном уровне.

Тогда почему квантовый компьютер до сих пор не появился у каждого на столе и не воспроизводит музыку из «ВКонтакте» по невзламываемой квантовой линии связи? Об этом, а также о развитии российской науки и о том, что «круче» – технология блокчейна или квантов, – профессор рассказал лично.

Александр Львовский – д-р философии, профессор физического факультета Университета Калгари, член научного совета Российского квантового центра (РКЦ), редактор журнала Optics Express, популяризатор квантовой науки.

В этой статье я расскажу о проблеме безопасности в технологии блокчейн в свете роста производительности квантовых компьютеров, разберу некоторые методы защиты от атак с применением квантового компьютера и о недавно появившемся проекте: Quantum-Resistant Ledger. Как заявляют разработчики, это будет первая в мире платформа, построенная на принципах постквантового шифрования и предназначенная для обеспечения защиты от «квантового удара» на случай быстрого развития этих технологий. Такому удару могут быть подвергнуты платформы, построенные с использованием классических принципов шифрования. Без фундаментальных изменений Bitcoin, Ethereum, Ardor и большинство подобных платформ в недалеком будущем могут оказаться в уязвимости.

Привет, Гиктаймс! Настало время подвести научные итоги 2017 года вместе с Американским физическим сообществом. На этот раз редакция APS постаралась на славу и подготовила крайне занимательную подборку новейших достижений фундаментальной науки. Сегодня поговорим о них поподробнее.

Оптический микроснимок микроэлектродного массива под смесью одностенных углеродных нанотрубок с жидкими кристаллами

С замедлением закона Мура инженеры с особой тщательностью присматриваются к вариантам, которые помогут продолжать вычисления, когда закон исчерпает себя. Искусственный интеллект наверняка сыграет в этом роль. Возможно, и квантовые компьютеры. Но во вселенной компьютеров есть и более странные вещи, и некоторые из них были показаны на международной конференции по перезагрузке вычислений IEEE в ноябре 2017.

Также там были показаны некоторые клёвые варианты классических вычислений, например, обратимые вычисления и нейроморфные чипы. Кроме них были представлены и менее знакомые публике варианты, такие, как фотонные чипы, ускоряющие ИИ, наномеханическая гребёнчатая логика и «гиперизмеренческая» система распознавания речи. В этой статье перечислены как странные, так и потенциально эффективные варианты.

Честно говоря, до недавнего времени я думал, что мы несколько ближе к созданию квантового компьютера и квантовым обсчетам реальных систем. Оказалось, что пока это больше напоминает вычисление формы сферического коня в вакууме. Более того, при том, что форма такого «коня» известна изначально, на выходе порой получается что-то среднее между «кубиком» и «медузой». И только сейчас физики потихоньку начинают подбираться к чему-то, действительно похожему на реальность.

Введение

Для эукариотических геномов характерно наличие большого количества интронов, микро- и минисателлитов, диспергированных элементов, «реликтовых ретровирусов» и прочих нуклеотидных последовательностей, суммарная длина которых более чем на порядок превосходит длину генных экзонов, определяющих первичную структуру белков. Обычно считают, что избыточная ДНК является реликтом эволюции и только засоряет клеточное ядро. В лучшем случае ей отводится роль радиопротектора, защищающего гены от повреждений /1/.

Такие объяснения достаточно правдоподобны, но недостаточно убедительны. Трудно убедить себя в том, что наш геном является мусорным ящиком, набитым эволюционными отбросами или даже вредными для организма эгоистичными нуклеотидными последовательностями. Возможная радиопротекторная роль этого “мусора” служит слишком слабым утешением.

Особенно контрастно избыточность генома человека проявилась после завершения его секвенирования. Выяснилось, что в гаплоидном наборе хромосом содержится меньше 30 тысяч генов, и на каждый ген приходится примерно 100 тысяч нуклеотидов. Это значит, что в кодировании белков принимает участие менее 2% хромосомной ДНК.

Парадоксальность избыточности генома и непостижимость молекулярных основ человеческого разума являются самыми интригующими загадками современной биологии. А что, если эти две загадки имеют общую разгадку?

Знай себе числа генерируй на основе непредсказуемых данных физического мира — немудреная мысль эта преследует человека на протяжении всего пути современной криптографии. Псевдослучайные генераторы чисел (PRNG), основанные на одних лишь математических алгоритмах, предсказуемы или подвержены внешнему влиянию, поэтому аппаратные генераторы, использующие различные источники энтропии, считаются золотым стандартом безопасности.

Однако даже генераторы реальных случайных чисел (RNG), собирающие непредсказуемые данные физических явлений, имеют недостатки: они могут быть громоздкими, медленными и дорогостоящими в производстве. Нет никакой гарантии, что проприетарная система не открыта для спецслужб — поэтому разработчики FreeBSD, отказались от непосредственного использования аппаратных генераторов, встроенных в чипы Intel.

Эволюция методов шифрования повлекла за собой необходимость создать более совершенные генераторы — о них и пойдет сегодня речь.

Введение

Появилось много популярных статей, где рассказывается о квантовой запутанности. Опыты с квантовой запутанностью весьма эффектны, но премиями не отмечены. Почему вот такие интересные для обывателя опыты не представляют интереса для учёных? Популярные статьи рассказывают об удивительных свойствах пар запутанных частиц — воздействие на одну приводит к мгновенному изменению состояния второй. И что же такое скрывается за термином «квантовая телепортация», о которой уже начали говорить, что она происходит со сверхсветовой скоростью. Давайте рассмотрим все это с точки зрения нормальной квантовой механики.

Исходная аксиома: Если допустить, что порождение материи, последующие преобразования и проявления её всё усложняющегося разнообразия не обходятся без движения, то главным и, по-видимому, единственным вопросом познания становится выяснение происхождения основного свойства материи – собственно её движения. В этом случае остается предположить существование лишь топологической среды, состоящей из двух структурных частей – бесконечного и конечного. Эти противоположности определяют друг друга и не существуют одна без другой. И, следовательно, взаимодействие конечного и бесконечного и есть проявление материи.

В марте этого года корпорация IBM объявила о запуске нового проекта, который называется IBM Q. В его рамках ведется работа над чипами нового поколения — квантовыми процессорами. Инициатива IBM Q оказалась вполне успешной, ведь прошло всего около двух месяцев, а сотрудники корпорации уже создали два мощных процессора. Первые квантовые разработки компании были открыты для пользователей около года назад. Квантовые процессоры все это время служили благой цели — научным исследованиям. В настоящий момент пользователи провели уже около 300 000 квантовых экспериментов на базе указанных чипов, связанных с платформой IBM Cloud.

Сейчас к прежним наработкам компании добавлены еще два процессора. Первый — 16-кубитный процессор, который предназначен для работы в научной сфере. Он доступен для разработчиков, программистов и исследователей в области квантовых алгоритмов. 16-кубитный процессор позволяет проводить более сложные эксперименты чем прежний, 5-кубитный, являвшийся частью платформы IBM Quantum Experience. Бета-доступ к новинке можно получить по запросу в IBM Q experience. А новый Software Development Kit доступен на GitHub.

Хотя квантовых компьютеров ещё нет, компании, работающие в области безопасности, уже готовятся к защите от них

Страх помогает делать продажи в области компьютерной информационной безопасности. В конце 2015 года компания Security Innovation из Массачусетса внезапно получила поддержку от одной из самых страшных контор – АНБ.

Шесть лет компания пыталась создать новую статью доходов, лицензируя необычную технологию шифрования NTRU, приобретённую у четырёх математиков из Брауновского университета. Её изобрели в ответ на мощные возможности по взлому кодов, приписываемые квантовым компьютерам, но интерес к разработке был невелик, поскольку таких компьютеров пока нет, и в ближайшее время не предвидится.

Затем АНБ предупредил, что в свете прогресса в области квантовых вычислений шифрование, защищающее онлайн-транзакции, банковские и им подобные, необходимо как можно быстрее заменить на нечто, защищённое от квантовых компьютеров. «И с того момента нам уже не нужно было убеждать людей в реальности угрозы», – говорит Джин Картер [Gene Carter], директор по менеджменту продуктов в Security Innovation. «Теперь нам звонят люди с просьбами о помощи».

Адиабатический компьютер компании D-Wave

Статья завершает цикл публикаций, посвященных критическому анализу квантовой магии: geektimes.ru/post/285378 и geektimes.ru/post/285490. Этот термин почему-то сильно раздражает некоторых адептов новой религии. Но я его не выдумал, а позаимствовал у одного из ее жрецов или, по-меньшей мере, посвященных, пытавшегося издавать журнал и написавшего книгу с таким названием royallib.com/book/doronin_sergey/kvantovaya_magiya.html. Кроме того, название американской компании MagicQ, занимающейся квантовыми системами кодирования, содержит в себе часть заголовка этой статьи до дефиса. Здесь я пытался порассуждать о существующих в реальном мире технологиях, которые принято связывать с квантовой запутанностью в смысле парадокса ЭПР.

Компьютер компании D-Wave, который она называет квантовым

Усилия в направлении квантового компьютера предпринимаются с начала 80-х прошлого века — столетия великих научных достижений, среди которых КМ стоит на первом месте (хотя без СТО она бы не развилась). В основе квантового компьютинга лежит понятие запутанности (quantum entanglement). Однако, сложившиеся и широко популяризованные взгляды на сей предмет, на мой взгляд, слишком далеко ушли от того, что на самом деле строго вытекает из КМ. Парадигме запутанности посвящена статья, а здесь рассмотрена проблема квантовых вычислений. Главным содержанием настоящей статьи являются критические замечания в отношении научных основ мечты о Святом Граале эпохи интернета.