Квантовые технологии

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.

Microsoft представила Majorana 1 — первый в мире квантовый процессор с топологическими кубитами, который может навсегда изменить вычислительные технологии. Этот чип способен вывести квантовые компьютеры на новый уровень, открыв путь к созданию материалов будущего, разработке революционных лекарств и решению экологических проблем. И главное — ждать десятилетия не придется, Microsoft обещает прорыв уже в ближайшие годы

Компания Microsoft анонсировала первый в мире квантовый чип Majorana 1, основанный на новой архитектуре Topological Core. Этот чип использует топологические проводники — инновационные материалы, которые позволяют управлять частицами Майораны для создания стабильных и масштабируемых кубитов. Разработка открывает путь к созданию квантовых компьютеров, способных решать сложные задачи промышленного масштаба уже через несколько лет, а не десятилетия, как предполагалось ранее.

Приветствую, Хабр!

В своей предыдущей статье (посвященной оценке необходимости срочного перехода на постквантовые криптоалгоритмы) я упомянул о принятых в США стандартах на постквантовые алгоритмы электронной подписи и обмена ключами. Данные стандарты были приняты в августе прошлого года (а перед этим они в течение года проходили оценку криптологическим сообществом в виде драфтов), при этом Институт стандартов и технологий США NIST анонсировал принятие дополнительных (альтернативных) постквантовых криптостандартов в будущем.

Поскольку принятие стандартов на постквантовые криптоалгоритмы можно считать весьма значительным событием в сфере асимметричной криптографии, а также принимая во внимание предполагаемый переход с традиционных на вышеупомянутые стандарты на горизонте в несколько лет (причем не только в США, но и в той значительной части мира, которая ориентируется на стандарты США), предлагаю вашему вниманию в данной статье описание (помимо описаний, я попытался схематично изобразить основные преобразования – под катом много схем с пояснениями) алгоритмов, на которых основаны постквантовые криптостандарты США, а также краткое обсуждение ближайших перспектив выхода новых стандартов на постквантовые криптоалгоритмы и рекомендаций по переходу с традиционных криптографических алгоритмов на постквантовые. Перечень текущих стандартов и рекомендаций NIST в части асимметричной криптографии со ссылками на их официальные публикации приведен в списке литературы к данной статье.

Представьте, что нашей Вселенной угрожает некий «пузырь», который может внезапно возникнуть из пустоты и мгновенно поглотить всё вокруг. Звучит как научная фантастика, но это реальный сценарий, известный физикам как коллапс ложного вакуума. В теории поля ложный вакуум — это метастабильное состояние, которое кажется стабильным, но на самом деле сидит в «локальном минимуме» энергии. Рано или поздно оттуда можно «скатиться» в состояние с ещё более низкой энергией — истинный вакуум. Если наша Вселенная сейчас случайно обитает в таком ложном вакууме, то рано или поздно (хотя скорее очень нескоро) возникнет пузырь истинного вакуума, который расширится со скоростью света, уничтожая всё вокруг.

Летом 2022 года я опубликовал на Хабре статью «Как и зачем создавать вселенную в лаборатории», которую задумывал исключительно в качестве оммажа великому космологу и мыслителю Андрею Дмитриевичу Линде, сыну одной из последних ночных ведьм, покинувших наш мир. Но с тех пор я иногда возвращался к мыслям о том, насколько сложные физические процессы в принципе поддаются лабораторному моделированию, и что нам могут подсказать такие опыты. Сегодня я расскажу об амбициозных и пока не слишком удачных попытках смоделировать проходимую червоточину в виде компьютерной симуляции. Червоточина (wormhole), также называется «кротовая нора» или «мост Эйнштейна-Розена». Такая гипотетическая структура могла бы связывать произвольно удалённые друг от друга точки пространства-времени, если бы была проходимой. При этом, искусственная червоточина была бы очень интересна сама по себе, так как могла бы подсказать способ унифицировать гравитацию с другими взаимодействиями Стандартной Модели, в конечном счёте — объединить квантовую и классическую физику.

Впервые исследователи показали, что добавление большего количества «кубитов» к квантовому компьютеру может сделать его более устойчивым. Это важный шаг на долгом пути к практическому применению квантовых компьютеров.  

Как построить идеальную машину из несовершенных деталей? Поиск ответа на этот вопрос — главный вызов для исследователей, создающих квантовые компьютеры. Проблема в том, что элементарные строительные блоки (кубиты) чрезвычайно чувствительны к возмущениям из внешнего мира. Современные прототипы квантовых компьютеров слишком подвержены ошибкам, чтобы делать что-то полезное.

Продолжаем говорить о безопасности квантовой сети.

Проблема безопасности при передаче ключей

При рассмотрении производительности сети КРК мы используем следующие предположения:

1.    Узлы являются доверенными. Протокол аутентификации работает должным образом и даёт сбой с вероятностью не более εauth для каждого узла. Все узлы атакуются по отдельности и одновременно в каждом сеансе передачи ключей.

2.    КРК-соединения могут быть любого типа (через оптоволокно, свободное пространство, соединение «точка-точка» или с недоваренными узлами между ними, например, см. рис. 3),  должны работать должным образом между всеми узлами, и каждое соединение независимо должно быть εqkd-безопасным (для простоты мы считаем их одинаковыми для каждого соединения). Все КРК-соединения атакуются по отдельности и одновременно в каждом сеансе передачи ключей.

3.    Расстояние между двумя соседними узлами не превосходит предельного. Предельным должно рассматриваться расстояние между наиболее удалёнными друг от друга связанными (через c − 1) узлами.

На данный момент наука проходит тернистый путь по доказательству, определению и пониманию человеческого сознания. Вместе с этим, один стартап стремится применить передовые теории сознания к моделям искусственного интеллекта — и создать первый разумный искусственный интеллект. Речь идет про канадский стартап Nirvanic, участники которого ищут доказательства теории квантового сознания, создав на их основе разумный искусственный интеллект и роботов, наделенных этим ИИ. И это вполне реально.

Открываем серию публикаций 2025 года нашей любимой темой - кванты. Сегодня поговорим о достижениях мировых технологических лидеров и о том, как продолжать развивать квантовые технологии на мировом уровне.

Квантовые компьютеры, обладающие числом кубитов в диапазоне от 100 кубитов, представляют собой одно из наиболее перспективных направлений в эволюции вычислительных технологий. Эти устройства уже сегодня планируются к применению в различных отраслях, включая финансы, разработку новых материалов, оптимизацию процессов и моделирование сложных систем.

Одной из ключевых технических характеристик квантовых компьютеров является количество кубитов — элемента квантового регистра, способного хранить и обрабатывать квантовую информацию. Увеличение числа кубитов в системе значительно расширяет её вычислительные возможности, позволяя одновременно выполнять больше операций. Это открывает новые горизонты для решения сложных задач, которые традиционные классические компьютеры способны обрабатывать лишь с огромными временными затратами. Таким образом, квантовые компьютеры с высоким количеством кубитов могут стать катализатором для прогресса в самых различных сферах науки и техники.

Ключевым параметром, определяющим эффективность квантовых вычислений, является качество реализации кубитов. Чем выше стабильность и точность функционирования кубитов, тем ниже вероятность возникновения ошибок в процессе выполнения квантовых операций. При наличии от 100 кубитов возникает необходимость в применении сложных технических решений, направленных на обеспечение требуемой степени точности и стабильности работы устройств.