что такое квантовые мобильные технологии
Будущее наступило: зачем в смартфоны устанавливают квантовые чипы и чем они лучше
В 2020 году Samsung и SK Telecom представили смартфон Galaxy A Quantum, оснащённый чипом для генерации случайных чисел (ГСЧ), который помогает пользователям безопасно работать с любыми сервисами. Это мобильное устройство буквально открыло новую главу в истории квантовой технологии. Недавно южнокорейская компания анонсировала Galaxy Quantum 2, второй гаджет со встроенным квантовым чипом для ГСЧ. Вполне возможно, что технология вскоре станет более массовой, поэтому сегодня важно с ней разобраться.
Содержание
Для чего нужен квантовый чип безопасности: что это такое
Квантовый чип — это особенная микросхема, которая позволяет защитить самые разнообразные операции путём создания более надёжных одноразовых паролей во время двухфакторной аутентификации и в других процессах.
Вот для чего он пригодится:
Это — лишь некоторые из возможных сценариев использования квантовых чипов, которые рассматриваются сегодня. Тем не менее в будущем их может оказаться куда больше. Новые, очевидно, будут появляться по мере распространения технологии в мире смартфонов и другого высокотехнологичного оборудования.
За счёт чего квантовый чип увеличивает безопасность
Квантовый чип — уникальный набор микросхем, габариты которого в смартфоне Galaxy A Quantum составляют 2,5×2,5 мм. Для того чтобы генерировать как можно более случайные числа, в нём были задействованы абсолютно непредсказуемые возможности квантовых частиц. Ведь, как известно, чем меньше логических цепочек находится в ключе безопасности, тем сложнее его взломать с помощью математических инструментов. Традиционные чипы, которые используют на данный момент в смартфонах и других системах, полагаются на детерминированные генераторы чисел, которые при достаточной вычислительной мощности аппаратного обеспечения можно очень просто взломать. Квантовые куда безопаснее.
Квантовый чип оснащён встроенным датчиком CMOS. Он используется для обнаружения фотонов — именно это стало основой для ГСЧ. Согласно законам физики, поведение этих частиц является случайным, а потому его можно преобразить в совершенно непредсказуемый ключ, который практически невозможно взломать. Отсюда и безопасность.
Какой именно квантовый чип используется в смартфонах
Мобильные устройства Samsung оснащены чипом из линейки QRNG, разработанным ID Quantique (IDQ). Компания создала сразу три модели микросхемы, чтобы соответствовать различным отраслевым требованиям. Чипы отличаются размером, производительностью, энергопотреблением и сертификатами.
Quantis QRNG IDQ250C2. Первый квантовый генератор случайных чисел, который был разработан специально для смартфонов, периферийных устройств и онлайн-покупок. Этот чип обезопасит от возможных махинаций в интернете. Он и используется в смартфонах Samsung. Не все замечают, что мобильные приложения требуют всё больше конфиденциальных данных, включая финансовую, медицинскую, деловую и личную информацию. Периферийные устройства и интернет-сервисы, в свою очередь, имеют непрерывный доступ к организациям, с которыми сотрудничают потребители. Именно поэтому персональные данные нуждаются в защите, которую может обеспечить компактный чип с низким энергопотреблением.
Quantis QRNG IDQ6MC1. Вторая модель компании, которая идеально подходит для работы с приложениями, нуждающимися в устойчивости к внешним воздействиям. Чип получил сертификат AEC-Q100, который подтверждает его совместимость с транспортными средствами. То есть он отлично подходит для интеграции в автомобильные системы безопасности, где его компактный размер и усовершенствованный механизм защиты имеют решающее значение. Получается, чип может обеспечить защищённую связь между серверными системами и транспортными средствами. Сегодня эти серверы уязвимы для кибератак, которые даже могут стать причиной аварийной ситуации на дороге при использовании систем автопилота. С квантовым чипом безопаснее.
Quantis QRNG IDQ20MC1. Третья модель чипа, которая имеет самую высокую энтропийную пропускную способность и может обслуживать сразу несколько механизмов безопасности с истинной и непредсказуемой случайностью. Микросхема отлично подходит для компьютеров, ноутбуков, серверов и любых устройств безопасности. Этот чип включает постобработку DRBG в соответствии с NIST SP 800-90 A, B, C — рекомендациями Национального института стандартов и технологий.
Все три модели основаны на технологической концепции и патенте IDQ. Эти квантовые генераторы случайных чисел являются очень надёжной системой защиты. Важно также понимать, что чипы позволяют проверить свой статус в реальном времени. Если в процессе их работы будет обнаружен сбой, то случайный поток битов сразу же отключится, после чего пользователь получит уведомление о проблеме. Далее микросхема выполнит процедуру автоматического восстановления для повторного создания необходимых данных. Это — максимально безопасное решение на данный момент.
Где могут использоваться квантовые чипы
Квантовый чип обеспечивает наивысшую достижимую безопасность и надёжность. Он идеально подходит для использования в автомобильной, вычислительной и серверной инфраструктуре. Помимо этого, микросхема подходит для мобильного софта и приложений безопасности, где критически важны компактный размер и устойчивость к внешним воздействиям.
Какое будущее у квантовых чипов
Ожидается, что в 2026 году более 43 млрд устройств через все возможные беспроводные сети будут постоянно онлайн, а потому важность кибербезопасности растёт в геометрической прогрессии. Чип QRNG способен защитить персональную информацию пользователей в виртуальном мире. ID Quantique была первой компанией, которая разработала квантовый генератор случайных чисел ещё в 2001 году. И на данный момент она остаётся лидер ом рынка с точки зрения надёжности и сертификации.
В 2020 году вышел первый смартфон с квантовой технологией — Galaxy A Quantum, который был представлен Samsung и SK Telecom. Спустя год компания анонсировала выход второго мобильного устройства с чипом Quantis QRNG — Galaxy Quantum 2. Однако это не единственный производитель гаджетов, который внедрил новую систему безопасности в свои устройства. Так, VinSmart, дочерняя компания Vietnam Vingroup, в 2020 году объявила о выпуске гаджета Vsmart Aris 5G со встроенной микросхемой Quantis QRNG.
Вполне возможно, в будущем квантовые чипы Quantis QRNG станут частью центральных чипсетов Qualcomm, одной из самых востребованных на данный момент компаний по разработке мобильных процессоров. Чтобы этот сценарий стал реальностью, необходимо, чтобы ID Quantique доказала эффективность своих микросхем. И если тестирование будет успешным, потребители получат сверхнадёжную систему безопасности. Если же на практике квантовый чип не сможет обеспечить должную эффективность, то его производство просто напросто прекратится. Его будущее определит лишь время.
Договор — публичная оферта
ООО «КВАНТОВЫЕ МОБИЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ» в лице Генерального директора Белоусова Сергея Сергеевича, действующего на основании Устава, именуемое в дальнейшем «Продавец», с одной стороны, и пользователь сети Интернет, именуемый в дальнейшем «Подписчик», с другой стороны, совместно именуемые «Стороны», заключили настоящий договор (далее – «Договор»).
Договор, в соответствии со статьей 435 и частью 2 статьи 437 Гражданского кодекса Российской Федерации, является публичной офертой (предложением) в адрес неограниченного числа лиц, пользователей сети Интернет.
В соответствии со статьей 438 Гражданского Кодекса Российской Федерации, полным и безоговорочным акцептом (принятием) Договора является подтверждение Подписчиком своего согласия с условиями Договора или осуществление им добровольного платежа.
1. Термины, используемые в договоре
1.1. Подписчик — пользователь сети Интернет, принявший условия Договора, получивший уникальный идентификатор в Приложении Продавца и осуществивший авансовый платеж за Использование Произведений.
1.2. Произведения — аудиозаписи литературных произведений, представленные в электронном виде в сети Интернет в различных форматах, размещенные в Приложениях Продавца.
1.3. Каталог — совокупность Произведений.
1.4. Приложение Продавца — мобильные приложения семейства «Патефон» для платформ iOS или Android.
1.6. Использование — открытие Подписчиком Произведений через мобильное приложение.
1.7. Биллинг — система учета платежей.
2. Предмет договора
2.1. Продавец предоставляет возможность Подписчику на платной основе открывать Произведения, представленные в Каталоге, через мобильное приложение.
3. Обязанности сторон
3.1. Обязанности Продавца
3.1.1. Предоставлять Подписчику возможность Использования Произведений не позднее 24 часов с момента подтверждения Биллингом произведенной оплаты и идентификации Подписчика как плательщика произведенного платежа.
3.1.2. Не разглашать третьим лицам сведения о Подписчике, полученные от Подписчика при регистрации.
3.1.3. Уведомлять Подписчика об изменениях условий Договора и его Приложений путем размещения соответствующей информации на Сайтах Продавца не менее чем за 30 (тридцать) календарных дней до вступления изменений в силу.
3.2. Обязанности Подписчика
3.2.1. Зарегистрироваться в Приложении Продавца путём автоматической регистрации по факту оплаты.
3.2.2. Производить оплату за Использование Произведений согласно п.4 Договора.
3.2.3. Использовать доступные в Приложении Продавца Произведения исключительно в личных целях, для прослушивания.
3.2.4. Подписчик не имеет права:
Несоблюдение требований п.3.2.6. Договора является нарушением законодательства об авторском праве и преследуется по закону.
3.2.7. Вся информация, размещенная на Сайтах Продавца о порядке пользования Каталогом, оплаты Произведений и прочих особенностях исполнения Договора является неотъемлемой частью Договора и обязательна к исполнению Подписчиком.
4. Условия оплаты
4.1. Подписчик производит авансовый платеж за подписку на условиях, указанных на Сайте Продавца.
4.2. Продавец вправе в одностороннем порядке изменять действующие цены путем размещения соответствующей информации на Сайте Продавца. Любое изменение цен не касается уже оплаченных периодов подписки.
4.3. В Приложениях Продавца для платформ iOS или Android списание средств происходит автоматически на сумму стоимости месячной, недельной, годовой или других периодов подписки по выбранному тарифу не чаще выбранного периода, в случае месячной подписки — месяца, в случае недельной подписки — недели.
5. Ответственность сторон
5.1. Подписчик принимает на себя полную ответственность и риски, связанные с использованием Каталога.
5.2. Подписчик полностью несет ответственность за использование третьими лицами своей учётной записи.
5.3. Продавец не несет ответственности за любые расходы Подписчика или прямой либо косвенный ущерб, который может быть нанесен Подписчику вследствие использования Каталога.
5.4. Продавец нe нeсeт отвeтствeнности за качество доступа к Каталогу через сеть Интернет.
5.5. Ни при каких обстоятельствах Продавец не несет ответственности за использование третьими лицами учётной записи Подписчика.
5.6. Продавец не несет ответственности за прямой или косвенный ущерб, понесенный Подписчиком в результате ошибок передачи данных, сбоев/дефектов в работе программного обеспечения и/или оборудования, потерь и повреждений данных, ошибок обработки или отображения данных, задержек в передаче данных и других сбоев, случившихся не по вине Продавца.
6. Срок действия договора
6.1. Договор вступает в силу с момента поступления первого авансового платежа от Подписчика и действует до полного исполнения Сторонами своих обязательств.
7. Обстоятельства непреодолимой силы
7.1. Стороны освобождаются от ответственности за частичное или полное неисполнение обязательств по настоящему Договору в случае, если такое неисполнение явилось прямым следствием обстоятельств непреодолимой силы (форс-мажорных обстоятельств), возникших после заключения Договора, в результате событий чрезвычайного характера, а именно: пожара, наводнения, урагана и землетрясения или наложения органами государственной власти ограничений на деятельность любой из Сторон, и если эти обстоятельства Стороны не могли ни предвидеть, ни предотвратить разумными мерами.
8. Прочие условия
8.1. В случае, если какое-либо положение или какая-либо часть положения Договора признаны недействительными или не имеющими юридической силы, остальные положения и части положений Договора остаются в полной силе и действии.
8.2. Все Приложения к настоящему Договору являются его неотъемлемой частью.
8.3. Во всем остальном Стороны договорились руководствоваться действующим законодательством Российской Федерации.
8.4. Продавец вправе вносить изменения в Договор с обязательным размещением соответствующей информации на Сайте Продавца за 30 (тридцать) календарных дней до вступления соответствующих изменений в силу.
8.5. По всем возникающим вопросам Подписчик вправе обращаться в Службу поддержки Продавца по адресу электронной почты: support@patephone.com.
9. Разрешение споров
9.1. Споры и разногласия, которые могут возникнуть по данному Договору, решаются путем соблюдения досудебного (претензионного) порядка. Срок рассмотрения Продавцом претензии — 7 (семь) календарных дней с момента ее получения от Подписчика.
9.2. Если Стороны не придут к соглашению, эти споры и разногласия разрешаются в судебном порядке согласно действующему законодательству Российской Федерации.
Продавец: ООО «КВАНТОВЫЕ МОБИЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ», ОГРН 1167746414890, ИНН 7706437099, КПП 770601001
Адрес: 119180 г. Москва ул. Большая Полянка д. 51А/9, Офис I
С Патефоном у твоего ребенка будут только самые лучшие аудиосказки.
Квантовые компьютеры — для «чайников»
Объясняем на лампочках и котиках, что такое квантовый компьютер.
Осенью прошлого года компания Google заявила, что достигла квантового превосходства. Звучит как что-то сложное и не очень нужное простому пользователю? Не совсем так. Суть этой новости в том, что сотрудники Google с помощью специального квантового компьютера смогли решить задачу, с которой даже очень крутой суперкомпьютер за разумное время не справится. Впечатляет, не так ли?
К тому же это имеет прямое отношение к безопасности ваших данных, ведь многие защитные механизмы в цифровом мире основаны как раз на том, что их нельзя взломать за разумное время. Давайте разберемся, что это за квантовый компьютер такой и стоит ли опасаться, что киберпреступники начнут пользоваться им для взлома.
Что такое квантовый компьютер
Основное отличие квантовых компьютеров от традиционных, транзисторных, которыми все мы пользуемся сейчас, — то, как они работают с данными. Привычные нам устройства, от смартфонов и ноутбуков до суперкомпьютера-шахматиста Deep Blue, хранят все в битах — так называется мельчайшая единица информации, которая может принимать всего два значения: либо ноль, либо единица.
Бит можно сравнить с лампочкой, которая либо включена (единица), либо выключена (ноль). Файл, лежащий на диске, для компьютера выглядит как набор лампочек, из которых одни горят, а другие — нет. Если взять очень много таких лампочек, то, включив одни и выключив другие, можно собрать хоть фразу «тут был Альберт», хоть Мону Лизу.
Но когда устройство решает какую-то задачу, оно включает и выключает лампочки, постоянно записывая и стирая результаты промежуточных вычислений, чтобы они не забивали память. Это занимает время, так что если задача очень сложная, компьютер будет думать долго.
Квантовые компьютеры, в отличие от своих старших братьев, хранят и обрабатывают данные с помощью квантовых битов — кубитов. Последние могут не только «включаться» и «выключаться», но и находиться в переходном состоянии или даже быть включенными и выключенными одновременно. Продолжая аналогию с лампочками: кубит — это как светильник, который вы выключили, а он все равно продолжает моргать. Или кот Шредингера, который одновременно и жив, и мертв.
Поскольку лампочки в квантовом компьютере одновременно горят и не горят, это сильно экономит время. Поэтому он решает сложные задачи намного быстрее даже очень мощного классического устройства. Например, в Google утверждают, что их квантовая машина Sycamore за три с небольшим минуты провела вычисления, над которыми обычный суперкомпьютер в теории бился бы 10 000 лет! Вот это и называют серьезным термином «квантовое превосходство».
Квантовые компьютеры в жизни
Итак, квантовые компьютеры очень быстро решают очень сложные задачи. Но почему они тогда просто не вытеснили медленные классические системы? Дело в том, что эта технология еще молода, а состояние «моргающей лампочки» — очень нестабильное, и чем больше в системе кубитов, тем труднее его поддерживать. А доступность сложных вычислений зависит в том числе от количества кубитов: с помощью двух лампочек, пусть и очень крутых, Мону Лизу не нарисуешь.
Есть и другие проблемы, мешающие квантовым компьютерам полностью заменить предшественников. Вы помните, что они обрабатывают информацию принципиально иначе? Это значит, что и программы для них нужны совершенно другие. На квантовый компьютер нельзя просто взять и установить Windows — надо с нуля разрабатывать специальную квантовую ОС и специальные же квантовые приложения.
И хотя такие попытки уже предпринимают ученые и IT-гиганты, пока что квантовые компьютеры работают примерно как внешние жесткие диски — подключаются к обычным компьютерам и управляются через них. И используются они для решения узкого круга задач — например, для моделирования атома водорода или поиска по базам данных. А вот выйти в Интернет или посмотреть видео с котиками с помощью квантового компьютера не получится.
Тем не менее многие считают квантовые вычисления перспективными. Первая компания, продающая бизнесу квантовые компьютеры, появилась еще в 1999 году. Сейчас в это направление вкладываются крупные организации, такие как американские Google, Honeywell и IBM (последняя уже предлагает клиентам доступ к своему квантовому компьютеру через облако), японская Toshiba и китайские Alibaba и Baidu. В 2019 году квантовыми технологиями заинтересовались и российские власти.
Правда, тут стоит оговориться: задача, которую решили в Google, не имеет никакой практической пользы, кроме демонстрации возможностей квантовых технологий. Погружаться в ее суть мы не будем, потому что это действительно сложно и не очень нужно обычному пользователю. Но если вы очень хотите убедиться в этом лично, описание задачи есть в отчете Google.
А еще не все согласны с утверждением Google про 10 000 лет. В IBM, например, уверены, что суперкомпьютер сможет решить эту же задачу пусть и не за три минуты, но всего за два с лишним дня. Хотя это, в общем-то, тоже ощутимая разница.
Квантовые компьютеры (пока) не угроза
Как видите, квантовые компьютеры до сих пор — скорее игрушка для ученых, чем потребительские устройства или инструмент взломщика. Что, конечно, не значит, что в будущем они не станут ближе к жизни (и опаснее). Впрочем, эксперты в области защиты данных уже сейчас готовят на них управу. Но об этом — в следующий раз.
В России представлен квантовый телефон за 30 млн рублей
Система квантовой связи ViPNet QSS Phone. Источник: «Ведомости»
По данным «Ведомостей», компания «Инфотекс» и Центр квантовых технологий МГУ представили первый в России телефон с квантовой защитой связи. Система получила название ViPNet QSS Phone.
Устройство работает в качестве IP-телефона, который, правда, подключен к клиенту квантового распределения ключей и серверу. За счет протокола квантового шифрования трафик шифруется таким образом, что к нему нельзя получить доступ со стороны.
По словам разработчиков, два квантовых телефона, которые соединены линией связи, формируют общий секретный ключ, который будет надежно защищать данные, генерируемые при общении собеседников. Хитрость в том, что при передаче информации используются фотоны, которые изменяют свое состояние, если к линии присоединился еще кто-то. Система генерирует два случайных числа для обоих собеседников, фотоны дают возможность выработать общий ключ. Он считается чрезвычайно надежным, и с его помощью шифруется основной трафик.
Серийное производство первых телефонов компании стартует ближе к концу 2019 года. Компания планирует продавать свое устройство, в первую очередь, крупному бизнесу. Дело в том, что именно он больше других страдает от утечек информации. Кроме того, стоимость системы квантового шифрования составляет 30 миллионов рублей, так что небольшая компания просто не сможет позволить себе приобрести такую систему.
Базовый набор аппаратуры включает один сервер и два телефона. Оборудование уже показывают и предлагают протестировать потенциальным заказчикам. Один из них — Сбербанк.
У этой технологии есть и ограничения. Так, современные квантовые системы в состоянии передавать данные лишь на расстояние до 100 км, квантовый телефон и того меньше — на 25 км.
В разработку технологии были инвестированы крупные средства. «Инфотекс» вложил около 700 млн рублей, из которых 140 млн — субсидия Министерства образования и науки. Проект также частично финансируется за счет Национальной технологической инициативы (НТИ), которая выделила Центру компетенций по квантовым технологиям около 600 млн рублей на срок с 2018 по 2021 год.
В телефоне «Инфотекса» данные шифруются классическим способом. Но ключи шифрования передаются при помощи квантовых технологий. Поэтому решение является промежуточным, здесь квантовая технология работает лишь на определенном участке передачи данных. На массовом рынке устройство, предложенное компанией, вряд ли будет очень востребованным.
По словам директора Российского квантового центра Руслана Юнусова идея квантового телефона далеко не нова. Эта технология уже тестировалась в Китае, причем испытания прошли вполне успешно.
В прошлом году тестировать квантовые технологии передачи данных начал «Ростелеком». Главные заказчики технологии в мире — спецслужбы, хотя она интересна и обычному бизнесу, в частности, финансовым структура, телемедицине и т.п. «Ростелеком» планирует использовать шифрование такого рода для надежной передачи данных между дата-центрами, поскольку в них размещены информационные системы заказчиков, включая государственные системы.
В 2018 году на Хабре публиковалась информация о том, что одна из стран-лидеров в области квантового шифрования — Китай. Страна уже вложила многие миллионы долларов в создание сетей, данные с которых передаются при использовании квантового шифрования. В 2017 году китайский спутник Micius дал возможность провести сеанс зашифрованной связи между Пекином и Веной. Расстояние при этом составило 7,5 тыс. км. Все данные были квантово зашифрованы. Также был проведен сеанс связи между Пекином и Шанхаем.
Со скоростью света. Как квантовые компьютеры изменят мир и жизнь россиян?
К омпьютерные технологии неустанно развиваются. Обычные смартфоны теперь способны выполнять задачи, на решение которых в прошлом требовалась мощность огромных вычислительных машин. Впрочем, человечество стоит на пороге куда более масштабного технологического скачка. Он произойдет с появлением полноценного квантового компьютера. Всего за несколько минут он сможет решить задачу, на которую даже у самых мощных суперкомпьютеров уйдут десятилетия и даже столетия вычислений. Пока существуют только прототипы квантовых компьютеров, однако технологии с каждым годом совершенствуются. «Лента.ру» и Homo Science рассказывают, что такое квантовые технологии и каким образом они могут изменить мир.
Одним из первых о создании квантового компьютера заговорил американский физик Ричард Фейнман в 1982 году. По мысли ученого, такие машины способны моделировать сложные квантовые системы, например, атомы, что не по силам обычному, классическому компьютеру, которому для этого требуется колоссальный объем вычислительных ресурсов. Стало ясно, что квантовые компьютеры — хотя на тот момент не существовало даже их прототипов — способны на то, на что не способны даже мощнейшие суперкомпьютеры.
В 1996 году американский математик Лов Гровер предложил квантовый алгоритм решения задачи перебора, который теоретически способен ускорить поиск внутри гигантских баз неупорядоченных данных. Этот алгоритм был реализован в 1998 году с помощью компьютера, состоящего из двух кубитов на базе ядерного магнитного резонанса (ЯМР) — того же самого явления, что стало основой для магнитно-резонансных томографов. Годом позже было показано, что ЯМР-компьютеры не имеют никакого преимущества перед обычными компьютерами, поскольку в них не реализуется особый феномен, называемый квантовой запутанностью.
Пока одни ученые искали алгоритмы, которые можно реализовать на квантовом компьютере, другие занимались физической реализацией квантовых вычислений. В 1995 году физики Сирак и Цоллер предложили ионную ловушку для создания кубитов, а в 1999 году японский физик Ясунобу Накамура продемонстрировал рабочий кубит на основе сверхпроводников.
Технологии стремительно развивались, и в 2009 году была опубликована работа, в которой исследователи использовали два запутанных фотона для вычисления энергии молекулы водорода, что слишком сложно для классических компьютеров. Это была первая демонстрация того, что квантовые вычисления способны привести к полезному результату.
Спустя десять лет, в 2019 году, Google объявила о достижении квантового превосходства: всего за 200 секунд их компьютер выполнил серию вычислений, на которую у суперкомпьютера ушло бы десять тысяч лет. А всего через год о достижении квантового превосходства сообщили китайские ученые: их компьютер на запутанных фотонах Jiuzhang за 200 секунд решил задачу, которая потребовала бы у самого мощного суперкомпьютера до 2,5 миллиардов лет вычислений.
Сейчас уже ведется работа по подготовке человеческого общества к появлению полноценных квантовых компьютеров: разрабатываются новые стандарты, создаются дорожные карты, стратегии выхода на рынок и сфера применения квантовых вычислений.
В России дорожная карта развития квантовых вычислений разработана совместными усилиями Росатома и Российского квантового центра.
На создание квантовых компьютеров и облачной платформы для доступа к ним планируется потратить 23,6 миллиарда рублей.
Что такое квантовое превосходство
Квантовое превосходство — это свойство квантовых компьютеров решать задачи, которые не способны решить классические компьютеры за обозримый период времени. Сейчас ученые рассматривают это достижение больше как доказательство принципа, чем то, что может повлиять на будущую коммерческую жизнеспособность таких вычислений.
В России под эгидой Росатома создана Национальная квантовая лаборатория, куда вступили различные научные организации, включая Фонд «Сколково», Российский квантовый центр и профильные научные институты. Целью лаборатории является создание квантовых процессоров на базе сверхпроводников, холодных атомов, фотонов и ионов. К 2024 году планируется построить квантовые компьютеры, состоящие из 30-100 кубитов, в зависимости от используемой технологии.
Квантовое превосходство может быть временным и не исключает появления более эффективных алгоритмов, ускоряющих вычисления классическими компьютерами, поэтому любое заявление о достижении квантового превосходства вызывает скепсис у специалистов и подвергается тщательной проверке. Когда Google опубликовала результаты вычислений квантового процессора Sycamore, IBM заявила, что ее суперкомпьютер способен решить ту же задачу более точно и почти с той же скоростью — за два с половиной дня.
Страны вкладывают огромные суммы в развитие квантовой отрасли. Китай создал новый центр квантовых исследований (National Laboratory for Quantum Information Sciences) стоимостью 10 миллиардов долларов; Евросоюз разработал генеральный план развития квантовых технологий и планирует потратить на это около миллиарда евро; США, в соответствии с законом о национальной квантовой инициативе, выделили 1,2 миллиарда долларов на развитие проектов в этой области за пятилетний период. Однако для достижения полезной вычислительной производимости, вероятно, понадобятся машины, состоящие из сотен тысяч кубитов.
Как работают квантовые компьютеры
Классические компьютеры выполняют логические операции, используя биты — единицы информации, принимающие значение либо «0», либо «1». В квантовых вычислениях для этого используются кубиты, представляющие собой квантовое состояние объекта, например, фотона. До момента измерения квантовое состояние является неопределенным, то есть оно находится в суперпозиции двух возможных состояний — «0» или «1». Суперпозиция одного объекта может быть связана с суперпозициями других объектов, то есть можно сконструировать между ними логические отношения, подобные тем, что существуют на основе транзисторов в классических компьютерах. Однако квантовые системы трудно поддерживать в состоянии суперпозиции достаточно долго, поскольку квантовое состояние нарушается (система декогерирует) в результате взаимодействия с окружающей средой.
Чтобы добиться квантового превосходства, необходимо использовать явление, называемое квантовой запутанностью. Оно возникает в случае, когда две системы настолько сильно связаны, что получение информации об одной системе немедленно даст информацию о другой — вне зависимости от расстояния между этими системами.
Хартмут Невен, директор Google Quantum AI Labs предложил новое правило, которое предсказывает прогресс квантовых компьютеров в ближайшие 50 лет. Оно гласит, что мощность квантовых вычислений испытывает двукратный экспоненциальный рост по сравнению с обычными вычислениями. Если бы этому принципу подчинялись классические компьютеры, то ноутбуки и смартфоны появились бы в мире уже к 1975 году. Невен обосновывал свое правило тем, что ученые создают все более совершенные квантовые процессоры с большим количеством запутанных кубитов, и при этом процессоры сами по себе экспоненциально быстрее традиционных компьютеров.
Закон Невена, или, как его еще называют, закон Мура 2.0, прогнозирует, что по мере совершенствования квантовых микросхем вычисления будут становиться все быстрее и смогут решать проблемы, которые не под силу даже самым мощным суперкомпьютерам на планете. Это лишь вопрос количества доступных кубитов и снижения частоты ошибок, которые представляют основную проблему современных квантовых информационных систем. Если закон Невена себя оправдает, то в ближайшем будущем квантовые компьютеры покинут пределы университетских и исследовательских лабораторий и станут доступны для коммерческих и других приложений.
Как применяются квантовые компьютеры сейчас
Специалисты Boston Consulting Group предсказывают, что к 2040 году рынок вырастет до 850 миллиардов долларов. Этот прогноз основан на уверенности, что уже в ближайшие годы мир получит оборудование, подходящее для решения коммерческих и общественных задач. Даже отсутствие готовых прототипов не мешает инвестициям в начинающие стартапы. Например, PsiQuantum привлек 665 миллионов долларов на создание квантовых компьютеров на базе запутанных фотонов.
В настоящее время усилия ученых сосредоточены на двух направлениях: создании универсальных квантовых компьютеров для широкого круга задач и специализированных квантовых вычислителях. Как правило, коммерчески доступные системы имеют небольшое количество кубитов, однако в них используются принципы квантовой механики, ускоряющие вычисления. Одним из главных игроков на этом рынке является компания D-Wave Systems, чьи устройства уже включают в себя пять тысяч кубитов. В 2020 году D-Wave начала предлагать коммерческий доступ через облако к специализированным квантовым компьютерам Advantage с пятью тысячами кубитов, которые пока пригодны для решения сложных оптимизационных задач.
IBM представила коммерчески доступный IBM Quantum System One, пригодный для решения более широкого круга задач, в том числе моделирования материалов для систем хранения энергии, оптимизации портфелей финансовых активов и улучшения параметров стабильности в инфраструктуре энергоснабжения. Исследователи также стремятся использовать квантовый компьютер для того, чтобы раздвинуть границы глубокого обучения. Пока ведутся исследования, связанные с проверкой концепции, то есть демонстрации осуществимости квантовых вычислений в интересующих специалистов областях.
ИИ и криптосистемы
Одна из наиболее перспективных областей, на которую могут повлиять квантовые вычисления, — разработка систем искусственного интеллекта (ИИ). ИИ имеет дело с огромными объемами данных, а неточности в обучении нейронных сетей приводят к значительным погрешностям. Квантовые компьютеры могут улучшить алгоритмы обучения и интерпретации. Предприниматель в области ИИ Гэри Фаулер считает, что большую роль играет способность квантовых компьютеров выходить за рамки привычного двоичного кодирования. Это влияет как на объем анализируемой информации, так и на обработку естественного языка.
ИИ на базе квантового компьютера будет способен глубоко понимать и анализировать текст и речь. Это касается и распознавания образов, то есть искусственный интеллект может научиться видеть предметы и понимать, что находится перед ним, с той же точностью, что человек, и даже лучше. Улучшенное распознавание образов позволит медицинским работникам быстрее диагностировать и лечить заболевания по снимкам МРТ.
Некоторые специалисты считают, что сильный ИИ невозможен без квантовых компьютеров. Современные суперкомпьютеры не обладают мощностью для моделирования человеческого мозга с химическими взаимодействиями между отдельными частями нервных клеток. Даже с учетом закона Мура такие компьютеры не появятся и через миллион лет, однако полноценный квантовый компьютер поможет решить эту проблему.
Другой областью, которая значительно изменится с появлением квантовых компьютеров, станет криптография. Специалисты обеспокоены тем, что под ударом окажутся криптосистемы с открытыми ключами. Злоумышленники, использующие достаточно мощные квантовые компьютеры, могут совершить взлом цифровых подписей и основных интернет-протоколов HTTPS (TLS), необходимых для безопасного просмотра онлайн-счетов и совершения онлайн-покупок. Квантовые вычисления также поставят под угрозу безопасность систем симметричной криптографии, которая основана на обмене закрытыми ключами. Чтобы сохранить конфиденциальность данных, обмен ключами должен оставаться безопасным.
Считается, что постквантовая криптография, которая неподвластна квантовым компьютерам, остается неуязвимой даже для самых мощных систем. Специалисты уже работают над решением этой задачи, и NIST (Национальный институт стандартов и технологий, США) разрабатывает новые стандарты защиты информации, которые будут опубликованы в 2022 году. В то же время подобная криптография требует огромных ресурсов, поэтому квантовые компьютеры могут помочь защитить то, что они же делают уязвимым. Однако уже сейчас существуют прототипы защитных протоколов будущего, доступные для тестирования. Полный переход к ним может затянуться на 15-20 лет.
Квантовые компьютеры изменят мир и общество
Квантовые компьютеры способны привести к резкому прорыву в открытии и разработке новых лекарств, давая ученым и врачам возможность решать задачи, которые невозможно решить сейчас. Специалисты швейцарской фармацевтической компании Roche надеются, что квантовое моделирование ускорит разработку вакцин для защиты от инфекций, подобных COVID-19, лекарств от гриппа, рака и даже болезни Альцгеймера. Квантовое моделирование может заменить лабораторные эксперименты, чем снизит стоимость исследований и сведет к минимуму потребности в тестировании препаратов с участием животных и людей.
Квантовые компьютеры потенциально могут ускорить создание новых катализаторов для утилизации СО2 из воздуха или отработанных газов, которые не только сократят выбросы, но и позволят получать ценные нефтехимические продукты.
С помощью «квантового отжига» можно рассчитать траекторию движения каждой частицы воздушного потока над новым типом крыла, что может привести к изобретению новых технологий в аэродинамике. Подобный принцип можно использовать для решения задач оптимизации трафика в городе или потока данных в сети.