Квантовые технологии

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.

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.

Каждый инноватор мнит себя Стивом Джобсом. Он был нахальным, упрямым, свято верил в своё видение и раскатывал в блин всех, кто попадался ему на пути. Он знал и взлёты, и падения, но никто не отрицает, что он сильно повлиял на мир.

Проводя исследования для моей следующей книги "Mapping Innovation", я с удивлением обнаружил, что большая часть великих инноваторов, с которыми я общался, вообще не похожа на Стива Джобса. Это не эгоистичные люди, страдающие манией величия, а одни из самых скромных и предупредительных людей, которых только можно себе представить.

Представление об одиноком гении всегда было лишь мифом. Как пишет Брайан Артур [W. Brian Arthur] в «Природе технологии» [The Nature of Technology], инновации – это комбинации, поэтому вряд ли у кого-то одного на руках были все кусочки головоломки. Даже Стив Джобс зависел от небольшой группы верных людей. А благодаря цифровым технологиям способность работать совместно становится ключевым конкурентным преимуществом.

Национальный институт стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST) на днях обратился к общественности с просьбой помочь в решении проблемы, которую представители самого института называют «надвигающейся угрозой информационной безопасности». Речь идет о том, что квантовые компьютеры, прототипы которых уже работают, в будущем смогут легко взламывать любые коды шифрования, которые используются для защиты информации.

Представители НИСТ просят у специалистов по кибербезопасности, ученых и обычных пользователей устроить брейнсторминг по вопросу «постквантовой криптографии», алгоритмов, которые были бы недоступными и для квантовых компьютеров. Запрос организации официально зарегистрирован в Федеральном Реестре.

Доброе время суток, Хабражители! Я думаю многие заметили, что все чаще и чаще стала появляться реклама о дисплеях основанных на технологии квантовых точек, так называемые QD – LED (QLED) дисплеи и несмотря на то, что на данный момент это всего лишь маркетинг. Аналогично LED TV и Retina это технология создания дисплеев LCD, использующая в качестве подсветки светодиоды на основе квантовых точек.

Ваш покорный слуга решил все же разобраться что такое квантовые точки и с чем их едят.

Команда австралийских исследователей из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) разработала кубит, который остается в стабильной суперпозиции в 10 раз дольше, чем предыдущие разработки. Ученые уверены, что их новый кубит может существенно повысить надежность квантовых вычислений. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Nanotechnology 17 октября 2016 года

Кремниевый чип с тремя кубитами, созданный исследователями IBM, надеющимися когда-нибудь сконструировать такие чипы с тысячами кубитов

Когда-нибудь квантовые компьютеры смогут решать сложные оптимизационные задачи, быстро разбирать огромные наборы данных, симулировать физические эксперименты, для которых сейчас требуются ускорители частиц стоимостью в миллиарды, и решать множество других задач, недоступных сегодняшним компьютерам. Если, конечно, их удастся сконструировать. Но пока технические проблемы не дают им появиться, теоретики применяют идеи и технологии, присущие квантовым вычислениям, для решения серьёзных и старых задач классической информатики, математики и криптографии.

«Идут бурные дебаты по поводу того, будут ли квантовые компьютеры вообще когда-либо созданы,- говорит Крис Пейкерт [Chris Peikert], специалист по криптографии и информатике их Технологического института Джорджии. – Но это один вопрос, а второй – могут ли квантовые техники или алгоритмы помочь вам решать задачи новыми способами».

16 августа ракета «Великий поход-2» вывела на орбиту китайский спутник QSS. Перед ним стоит революционная задача: реализовать схему квантового распределения ключа между Пекином и Веной, на расстоянии более 7000 километров. Сегодняшний рассказ – о деталях этой миссии и подобных экспериментах в прошлом и будущем.

Прохладным вечером 28 октября 2014 года ракета-носитель Antares плавно оторвалась от стартового стола. По плану она должна была доставить на МКС частный транспортный корабль Cygnus и пару десятков исследовательских кубсатов. К сожалению, этот осенний вечер выдался на редкость жарким: через пятнадцать секунд после старта в районе маршевых двигателей ракеты произошел взрыв.

Теоретически квантовые компьютеры будут способны быстро решать задачи, на которые у суперкомпьютеров уходили бы тысячи лет. Эта технология может изменить привычный нам мир. Популярно о квантовых компьютерах рассказывает Евгений Глушко в очередном выпуске на канале наших друзей Sci-One TV. Текстовую версию — как и всегда — читайте под катом.