Квантовые технологии что это простыми словами
К — квантовая технология: зачем человечеству суперкомпьютер
Чтобы не отставать от современности и не упустить новые слова, подписывайтесь на подкаст в Apple Podcasts, «Яндекс.Музыке» и на Castbox. Ставьте оценки и делитесь в комментариях словами, без которых, как вам кажется, невозможно представить коммуникацию в XXI веке.
Что такое квантовые технологии
Квантовая технология — перспективная область физики, занимающаяся изучением квантовой механики и разработкой инноваций на основе кванта — неделимой частицы, атома или фотона. Привычные для нас смартфоны и плоские телевизоры — результат изучения квантовых технологий. Сейчас этот процесс еще не окончен: у этой области большой потенциал. Самое актуальное направление разработок — создание квантового компьютера, который можно будет использовать для изучения далеких планет или проведения сверхбыстрых расчетов. Помимо этого, квантовые компьютеры — мощный инструмент вычислений, ведь они могут, к примеру, за считанные секунды разложить числа в 30–40 знаков на простые множители и открыть доступ даже к самым защищенным данным.
Какие существуют области квантовых технологий
Существует несколько областей развития квантовых технологий.
Что из квантовых технологий уже существует
Большинство разработок на базе квантовых технологий существуют только в лабораториях. В реальности подобное можно увидеть в Китае: в 2017 году там открыли квантовую линию связи между Пекином и Шанхаем. Годом ранее в том же Китае запустили первый квантовый спутник «Мо-цзы», основная задача которого заключается в создании канала связи между Пекином и Веной. Такой мост может быть полностью защищенным от хакерских атак.
Бизнес на квантах: как квантовые технологии применяют уже сейчас
Технологии, основанные на принципах квантовой механики, уже применяют для разработки решений, которые выведут инновации на новый — квантовый — уровень. Расскажем, как кванты выходят из лабораторий и становятся частью цифровой экономики.
В ХХ веке первая квантовая революция подарила миру транзисторы, лазеры, интегральные схемы и мобильную связь. Вторая волна практического применения квантовых технологий уже близко и включает несколько направлений. Перспективными для бизнеса могут быть три: квантовые вычисления (компьютеры), защищенные квантовые коммуникации и квантовые сенсоры.
Квантовые вычисления: грядет эпоха квантовых компьютеров
Что это. Если не вдаваться в научные подробности, квантовый компьютер — устройство, работа которого базируется на преобразовании квантовых состояний индивидуальных частиц с последующим измерением результата. Для решения задач он применяет не классические алгоритмы, а квантовые.
Зачем нужны. В перспективе квантовые компьютеры способны решать сложнейшие вычислительные задачи, которые обычные компьютеры решают медленно — десятки и сотни лет, например:
В будущем квантовые вычисления будут применять в самых разных сферах — везде, где обычные компьютеры будут работать медленнее и выдавать больше ошибок. Например, для управления движением транспортных средств (воздушных, морских, наземных), прогнозирования погоды, предупреждения чрезвычайных ситуаций, в оборонной, горнодобывающей и автомобильной промышленности, медицине и других отраслях.
Что уже разработано. Большинство созданных к 2019 году систем далеки от тех впечатляющих возможностей, которые заявлены для квантовых компьютеров, и могут решать только ограниченный круг задач. Поэтому их называют квантовыми симуляторами, или адиабатическими компьютерами.
Примером квантовых симуляторов являются устройства канадской компании D-wave Systems. В линейке устройств D-wave Systems есть системы мощностью от 16 до 2 000 кубит, также было анонсировано 5000-кубитное устройство. В исследовательских целях такие компьютеры уже закупили NASA, Volkswagen, научно-исследовательская лаборатория в Лос-Аламосе, Google и Lockheed Martin.
Универсальные компьютеры, подходящие для решения различных задач (их можно считать «настоящими» квантовыми компьютерами), разработала компания IBM. В 2019 году она обновила свою коммерческую квантовую вычислительную систему, увеличив ее производительность в два раза: до 53 кубитов, тогда как старые модели были построены на 20 кубитах. Эта квантовая система модернизирована для работы в облачной среде. Однако даже после этого рано считать, что квантовые компьютеры уже вот-вот заменят обычные — пока они слабее традиционных.
В октябре 2019 года о достижении квантового превосходства заявила Google. По результатам исследования, их 54-кубитная система Sycamore за 200 секунд решила задачу, на которую у самого быстрого суперкомпьютера ушло бы 10 000 лет. В IBM к заявлению отнеслись скептически: там считают, что классический компьютер мог выполнить эти вычисления за 2,5 дня, и был бы точнее.
Нужно отметить, что сам предмет обсуждения — эффективность квантового компьютера — пока находится в стадии дискуссии, хотя нельзя отрицать значительных успехов компании Google в развитии технологий квантовых вычислений.
Квантовые коммуникации: защищенная передача информации
Что это. Квантовые коммуникационные сети подразумевают передачу квантовой информации между двумя удаленными в пространстве квантовыми системами способом, защищенным от злоумышленников. И ученые в этой области добились больших успехов, чем в разработке универсального квантового компьютера.
Главное преимущество защиты данных в квантовых коммуникационных сетях базируется на способе получения секретного ключа, секретность которого основана на неделимости кванта и невозможности скопировать квантовое состояние, то есть на законах квантовой физики.
Ключ не передается в непосредственном виде, подобно тому, как передается классическая информация. Секретный квантовый ключ образуется у двух пользователей в процессе передачи и измерения квантовых состояний, например, с помощью поляризованных фотонов.
Зачем нужны. Интерес к квантовым коммуникациям отчасти связан с развитием big data — все эти большие данные нужно обрабатывать и передавать с высокой скоростью и защищенным способом. По прогнозам IDC, к 2020 году почти 40% данных будут обрабатываться с использованием облачных сервисов. Это существенно увеличит потребность в квантовых коммуникациях и шифровании, поскольку значительное количество передаваемых в облако данных должно быть защищено.
Квантовая криптография может применяться для защиты данных в коммуникационных сетях различного назначения, включая спутниковые каналы передачи данных. Большие перспективы откроет появление устройств квантовой криптографии на рынке для владельцев ЦОД, банков, телекоммуникационных компаний, интернет провайдеров. Для этих отраслей они будут особенно удобны, ведь новые ключи будут генерироваться в автоматическим режиме, что значительно повысит уровень защищенности данных от взлома.
Что уже разработано. Передавать информацию «квантовым» способом получается с помощью коммуникационных сетей, которыми уже располагают некоторые страны. Например, в Китае построена квантовая коммуникационная сеть Пекин-Шанхай протяженностью 2000 км, ее расширяют, прокладывая аналогичные линии между другими городами. Для передачи информации используют протоны, которые невозможно разделить, их квантовое состояние нельзя клонировать. Таким образом, нет никакой возможности прослушивать линию.
Проблема использования таких сетей в том, что фотоны могут поглощаться атмосферой или материалами, из которых изготовлены кабели, поэтому обычно они не перемещаются на расстояние более пары десятков километров, максимальная дальность передачи на эксплуатируемых телекоммуникационных сетях — около 100 км. На линии приходится строить узлы, где сигналы расшифровываются и снова зашифровываются перед отправкой дальше. К примеру, на линии Пекин-Шанхай таких узлов 32.
Поэтому ученые пытаются использовать для передачи данных квантовую запутанность — феномен, при котором две частицы настолько взаимосвязаны, что по одной можно понять состояние другой, вне зависимости от того, какое расстояние их разделяет.
В 2017 году китайский спутник «Мо-цзы» побил рекорд дальности квантовой запутанности, передав информацию на 1200 км, а в 2018 году во время эксперимента был передан квантовый ключ шифрования между обсерваториями в столицах КНР и Австрии. Технология квантовой запутанности пока относится к экспериментальным.
Над квантовыми коммуникационными сетями и системами передачи ключей работают не только в Китае, но и в Европе, и в России. В декабре 2017 года Сбербанк и РКЦ запустили квантовую сеть протяженностью 25 км. То, как она работает, можно было увидеть на Петербургском международном экономическом форуме, где провели видеоконференцию между руководителями Сбербанка, Газпромбанка и компании PwC Russia.
В сентябре 2019 года Казанский квантовый центр, «Ростелеком» и «Таттелеком» успешно провели эксперимент по распределению квантовых ключей на волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) протяженностью 143 километра. В этом эксперименте использовался криогенный однофотонный детектор российского производителя СКОНТЕЛ и система квантового распределения ключей университета ИТМО.
Квантовое шифрование можно применять для любых видов связи. Например, специалистами компании «ИнфоТеКС» и Центра квантовых технологий МГУ разработан телефон с квантовым шифрованием. Он шифрует голосовой трафик между собеседниками так, что получить к нему доступ невозможно.
Важно не забывать, что квантовая криптография имеет прямое отношение к защите информации, а потому должна проектироваться и проверяться на соответствие характеристикам, заявленным производителями. Проверку должны проводить регуляторы, имеющие квалификацию и соответствующие методики. Иначе может получиться так, как было с ранними системами ID Quantique, которые удалось взломать группе энтузиастов.
Квантовые сенсоры: миниатюрные и чувствительные датчики
Что это. Квантовые сенсоры — высокочувствительные приборы, основанные на регистрации индивидуальных квантовых эффектов, то есть квантовых эффектов, касающихся отдельных квантовых систем. Примерами таких сенсоров будут лавинный однофотонный детектор и квантовый датчик случайных чисел.
На практике давно используют коллективные квантовые эффекты, которые основаны на участии в них большого числа квантовых объектов: электронов, атомных ядер, нейтронов, фотонов и других. Именно на их основе работают транзисторы, диоды и микросхемы, так мы получаем действие, осязаемое на макроскопическом уровне, например, видим луч лазера или регистрируем ток в полупроводниках компьютера. Разработать приборы, которые улавливают изменения в отдельных квантовых системах на уровне микромира, намного сложнее.
Зачем нужны. Квантовые сенсоры невероятно миниатюрные и чувствительные. Большие перспективы ждут их в медицине и биологии: анализ генома, диагностика заболеваний, в том числе онкологических, исследование процессов, происходящих в теле человека, внутренних органов, тканей, клеток и молекул.
Кроме того, высокочувствительные датчики нового поколения будут применять и в других областях: навигация (космическая отрасль, беспилотный транспорт), оборона и безопасность, геологоразведочные работы, нефтедобыча и строительство, технологии интернета вещей.
Что уже разработано. Интересную разработку создали ученые США, Канады и Германии. Исследователи реализовали квантовый гравиметр, который поможет в поиске нефти и других полезных ископаемых. Устройства с ним смогут обнаружить пустоты под землей, что сделает работу в шахтах безопаснее.
Другим примером коммерциализации этих приборов служит счетчик фотонов, разработанный под руководством Григория Гольцмана, профессора Московского педагогического государственного университета (МПГУ) и сооснователя компании СКОНТЕЛ. Его использует РКЦ для своих разработок в сфере квантовой криптографии.
Особенность применяемой системы квантовой криптографии в том, что сигнал кодируется на одиночных фотонах, когда один бит записывается на один фотон. Детекторы очень чувствительны, они с высокой вероятностью показывают, когда фотон есть, и не показывают шум, когда фотона нет.
Квантовые сенсоры могут использоваться в системах квантовой криптографии для обеспечения случайности квантовых ключей. Например, квантовый генератор случайных чисел, который создали физики МГУ в 2017 году. Он работает с высокой производительностью и обеспечивает непредсказуемость ключей, гарантированную законами квантовой механики.
Что надо знать о квантовых вычислениях
Об эксперте: Руслан Юнусов, глава Национальной квантовой лаборатории.
Квантовые вычисления — самое загадочное и пока еще не изученное направление из всех квантовых технологий. Новые материалы для автомобилей и самолетов, лекарства от ранее неизлечимых болезней, мгновенная оптимизация сотен различных параметров — все это ожидают от квантового компьютера уже в ближайшее десятилетие.
Что такое квантовые вычисления?
Квантовые вычисления — решение задач с помощью манипуляции квантовыми объектами: атомами, молекулами, фотонами, электронами и специально созданными макроструктурами. Их использование позволяет ученым достичь двух квантовых явлений — суперпозиции и запутанности. Благодаря этому исследователи могут синтезировать новые материалы, лекарства, а также моделировать сложные молекулы и решать оптимизационные задачи, недоступные сейчас для самых мощных компьютеров.
Если вы посмотрите на английский термин (англ. quantum computing), то обнаружите, что квантовый компьютер по сути и есть будущий продукт тех самых загадочных квантовых вычислений. В целом квантовые вычислительные системы разделяются на два основных класса — квантовые компьютеры и квантовые симуляторы.
Технологии квантового направления физики — коммуникации и сенсоры — активно применяются в современной мировой практике, в отличие от квантовых вычислений, которые пока лишь начали выходить на специализированный рынок. Так, в 2017 году Китайская академия наук запустила квантовую линию связи, которая соединила Пекин и Шанхай, а также первый спутник квантовой связи. Сенсоры сегодня используются в астрономии, географии, метеорологии и медицине.
Настоящее развитие физики принято считать эпохой второй квантовой революции. Точкой отсчета первой считается открытие квантовой теории в 1900 году. Благодаря развитию этого направления физики появились лазеры и компьютеры, а с ними — интернет, сотовая связь, бытовая электроника, светодиодные лампы, сложные микроскопы, цифровые камеры и магнитно-резонансные томографы.
Чем квантовый компьютер отличается от обычного?
Поскольку ученые строят квантовые компьютеры на нескольких разных платформах (их мы обсудим чуть ниже), внешний вид таких машин также отличается друг от друга.
Современные квантовые компьютеры на сверхпроводниках внешне больше напоминают люстры в стиле стимпанк и функционируют при определенной температуре: для каждого уровня машины нужен собственный микроклимат. Если в помещении становится теплее или холоднее, вычислительная машина становится бесполезной. Для работы квантовых компьютеров применяют систему охлаждения на основе жидкого гелия. Сам компьютер заключен в цилиндрический корпус с насосами системы охлаждения. К этой конструкции подключен ряд традиционных компьютеров для решения задач. Внутри квантовый компьютер состоит из соединений и труб, которые передают сигналы в квантовый «мозг» машины.
Для решения любых алгоритмических задач квантовые компьютеры используют кубиты, которые при обмене информацией принимают значение 0 или 1. Однако в отличие от битов, кубиты могут одновременно находиться в состоянии 0 и 1, благодаря свойству квантовых объектов — суперпозиции. Именно это способствует ускорению решения задач на десятки порядков быстрее классических вычислительных машин.
Если классический компьютер разложит число с 500 десятичными знаками на простые множители за 5 млрд лет, то квантовый аналог в теории управится за 18 секунд.
Кубиты не перебирают последовательно все возможные варианты состояний системы, комбинации, как обычный компьютер, а делают вычисления моментально. Это свойство может применяться при поиске информации по базам данных, составлениях маршрута, моделировании поведения сложных молекул и синтезе материалов. Решение задач, для которых нужно перебрать сотни и тысячи вариантов, ускоряется во множество раз.
Сейчас многокубитные квантовые компьютеры стоят миллионы долларов, а их изготовление — сложный процесс. Квантовый компьютер сегодня — это установка, которая не предполагает персональное использование на дому. Чтобы работать с этим классом устройств, необходимо обладать специальными компетенциями и уметь раскладывать задачи на понятный машине язык.
Какие платформы обсуждаются в связке с квантовыми компьютерами?
Квантовые компьютеры строятся на четырех основных платформах: сверхпроводящих цепочках, ионах, нейтральных атомах и фотонах. На самом деле платформ существует намного больше: еще есть интегральная оптика, квазичастицы (экситоны, поляритоны, магноны и др.), примесные атомы, молекулы, полупроводниковые квантовые точки и центры окраски. Один компьютер может быть создан на базе нескольких платформ. Все они могут работать отдельно друг от друга.
Квантовая платформа — это физический объект, похожий на чип, на котором размещается и сохраняется квантовое состояние кубитов.
Еще несколько лет назад все коммерческие вычислительные устройства работали исключительно на сверхпроводящих цепочках. В отличие от других типов кубитов они хорошо масштабируются, стабильны в работе, позволяют контролировать параметры и легче управляются. Однако сейчас мы видим, что международное квантовое сообщество стало все больше интересоваться ионами.
Первый коммерчески доступный квантовый компьютер на ионах представил в декабре 2018 года технологический стартап IonQ. Как заявили сами разработчики, построенная ими система способна выполнять более сложные вычисления, чем все существующие на рынке аналоги. А в конце 2020 года американская корпорация Honeywell заявила, что ей удалось создать наиболее точный квантовый компьютер на ионах. Вместе с тем, у этой технологии есть и недостатки: ионные компьютеры сложно масштабировать из-за аномального нагрева.
Также в тройку наиболее перспективных платформ для реализации универсального квантового вычислителя входят ультрахолодные атомы. Разработкой таких систем чаще всего занимаются академические институты и университеты — например, Институт прикладной физики Российской академии наук в Нижнем Новгороде.
Что такое облачная платформа для квантовых вычислений?
На сегодняшний день квантовые компьютеры и симуляторы функционируют только в лабораториях, и облачный доступ — единственный способ работы с ними для внешних заказчиков. Однако в перспективе использование облачной платформы также экономически более оправдано, чем приобретение дорогостоящего оборудования самостоятельно.
Согласно дорожной карте по квантовым вычислениям, разработанной Госкорпорацией «Росатом» и экспертами из Российского квантового центра, российская облачная платформа будет создана в виде пилотного проекта до декабря 2022 года. В 2024 году платформа позволит совершать вычисления на российских квантовых компьютерах.
В каких областях квантовый компьютер будет особенно актуален?
Финансы
Все эти процессы существенно трансформируются благодаря вычислительной мощности квантовых компьютеров. Задачи будут решаться моментально, а не в течение часов и дней.
Медицина и фармацевтика
Квантовые компьютеры помогут оптимизировать поиск белковых структур. Это приведет к ускорению производства новых лекарств и персонализации медицины, а также ускорению сборки геномов. Последний процесс может быть использован при диагностике онкологических заболеваний, так как слияние генов и их перегруппировка — это распространенные причины злокачественных опухолей. D-Wave уже применила свой квантовый отжигатель (вычислитель, пригодный для решения лишь некоторых задач по оптимизации), чтобы выявить у пациентов с немелкоклеточным раком легкого аденокарциному или плоскоклеточный рак — две разновидности смертельного заболевания.
Логистика
Оптимизация логистических цепей сократит длину маршрутов и даст возможность бизнесу уменьшить затраты на топливо. Квантовые алгоритмы в несколько раз быстрее просчитывают все возможные варианты передвижения и выбирают самые оптимальные.
Первый проект такого рода был осуществлен в 2019 году, когда технологическая компания Groovenauts вместе с компанией Mitsubishi Estate смогли оптимизировать сеть маршрутов забора мусора и размеры транспортных контейнеров для 26 крупных офисных центров в центральной части Токио.
Информационная безопасность
Сегодня разработаны алгоритмы, которые позволяют квантовому компьютеру сократить время подбора пароля и дешифровки информации до нескольких часов или минут.
Химическая промышленность
Какие квантовые компьютеры уже есть в мире и в России?
Собственные квантовые компьютеры строят корпорации Google, IBM, Intel, а также компании поменьше — D-Wave и стартап Rigetti. Компания D-Wave создала машину для квантового отжига на 5 тыс. кубитах, которая превосходит прошлое поколение устройств по размеру, количеству связей между кубитами и скорости работы. Устройство является важным инженерным достижением, в будущем используемым для универсальных квантовых компьютеров. Национальные программы по разработке квантовых компьютеров также созданы и на уровне стран — в Евросоюзе, США, Китае и России.
«Квантового превосходства» в лабораторных условиях первой в мире достигла Google: компьютер Sycamore смог выполнить вычисление за 200 секунд, в то время как традиционный суперкомпьютер справился бы с этой операцией за 10 тыс. лет, описывал журнал Nature итоги эксперимента компании.
В России ученые работают над созданием квантового компьютера сразу на четырех платформах: сверхпроводниках, ионах, нейтральных атомах и фотонах. Согласно утвержденной правительством нашей страны дорожной карте по квантовым вычислениям, первые отечественные квантовые вычислительные устройства появятся уже в 2024 году. Квантовый процессор на основе сверхпроводников будет состоять из 30 кубитов, на основе нейтральных атомов и ионов — из 100, фотонов — из 50.
Сегодня в России работают прототипы квантовых компьютеров с 2-10 кубитами и квантовые симуляторы с 10-20 кубитами. Отечественные компьютеры способны демонстрировать простейшие алгоритмы, решать задачи моделирования простейших молекул. Эти мощности соответствуют уровню развития квантовых вычислений QTRL-4 (метрика зрелости технологий квантовых вычислений, наивысшим уровнем в ней считается QTRL-9).
Моментальное решение задач и почти абсолютная защита данных: как применяют квантовые технологии и в чём их недостатки Статьи редакции
Обзор современных разработок и компаний, которые создают квантовые компьютеры, линии связи, сервисы квантовой защиты, квантовые спутники и телефоны.
Ещё с первой половины 20 века учёные ищут способ использовать квантовые технологии для защиты информации. Они разрабатывают такую систему передачи данных, чтобы её взлом противоречил законам физики.
К примеру, чтобы прочесть зашифрованное сообщение, получателю необходим ключ, с помощью которого он сможет перевести и понять засекреченную информацию. Ранее такие операции были ненадёжны: письмо с секретной информацией могли перехватить, аккаунт взломать и так далее.
Квантовая криптография же исключает такую возможность — при попытке воровства посылаемая по специальным сетям информация искажается, а вмешательство третьего лица сразу становится очевидным для отправителя и получателя.
Обмен сведениями происходит через одиночные фотоны по оптоволокну. Один фотон — один бит информации, который соответствует нулю или единице в зависимости от направления поляризации частицы.
При передаче информации на далёкое расстояние информация наиболее уязвима, и здесь квантовые технологии становятся полезными.
В перспективе их будет гораздо больше: это и сверхточные часы, и сверхточные датчики, и новые перспективы в материаловедении, и в создании новых материалов, и те же самые квантовые компьютеры.
Когда технология пересечёт границу между классическим и квантовым мирами, произойдёт бум квантовых технологий, начнётся резкое развитие, в том числе и рынка.
ИТ, медицина, цифровая экономика, искусственный интеллект — часть отраслей, где используют квантовую защиту. В развитие этой технологии инвестируют правительства США, Китая, Великобритании, Японии, России и других стран.
Несмотря на плюсы квантовой защиты, есть трудности, из-за которых государства не могут её применить масштабно.
Хотя фотоны и движутся со скоростью света, в линиях квантовой связи их распространение ограничено из-за тепловых шумов и дефектов оптоволокна
Высокий уровень помех замедляет скорость передач и приводит к тому, что системе приходится многократно повторять «посылку», чтобы исправить ошибки в коде.
Эту проблему пытаются решить сотрудники Делфтского института в Нидерландах, они работают над квантовыми повторителями — устройствами, способными «воссоздавать» квантовую информацию, не разрушая её.
В России проекты в сфере квантовых технологий развивают компании «Курэйт», «Кванттелеком» и «Инфотекс», работающие совместно с РКЦ, Университетом ИТМО и Центром квантовых технологий Московского госуниверситета имени Ломоносова (МГУ).
Группа Александра Львовского нашла способ «усиления» квантовых свойств светового импульса, обеспечивающего успешную передачу данных. Учёный уверен, что появление квантовых повторителей на рынке поспособствует массовому применению квантовой криптографии.
Это касается каждого из нас. Квантовая криптография — это не только военные или шпионские секреты, это номера кредитных карточек, истории болезни.
У каждого из нас масса конфиденциальной информации. Чем более открытым становится мир, тем важнее для нас контролировать доступ к ней.
Часто квантовая криптография преподносится как абсолютно безопасная, однако уже известны несколько случаев её взлома. Один из них — во время исследований лабораторией Quantum hacking lab.
Чтобы получить ключ шифрования, Вадим Макаров, работающий в Норвежском университете естественных и технических наук (NTNU), и группа его коллег разработали систему, которая с помощью лазерного луча перехватила сигнал, расшифровала послание и подменила его таким образом, что получатель не заметил взлома.
В некоторых случаях перехватчику неважно, оставит ли он «следы». Для такой ситуации специалисты, которые тестируют коммерческие системы квантовой криптографии на наличие лазеек, разрабатывают разные виды атак. Например:
Так как квантовая криптография оказалось уязвимой из-за передачи фотонов, учёные нашли альтернативу — квантовую телепортацию (подразумевается передача информации, а не материи).
Законы микромира таковы, что если отправитель не знает заранее направления поляризации фотона, то и получатель определить его не сможет. Однако даже если кому-то из них удастся вычислить это направление, то оно тут же изменится и полученная информация будет неверной.
Учёные пришли к выводу: нужно найти способ передать сообщение косвенным образом, не напрямую. Этот способ связан с «запутанностью фотонов», что означает: две частицы неразрывно связаны между собой, и у каждой направление поляризации неизвестно, но какое бы оно ни было у одной из них — у другой будет противоположным.
«Если отправитель с Земли хочет телепортировать один фотон с неизвестным направлением поляризации на космическую станцию, то для этого ему нужно ещё два фотона, которые были бы связаны», — утверждает Юджин Ползик, профессор физики Института Нильса Бора.
Профессор Юджин Ползик объясняет этот процесс так: отправитель помещает один из связанных фотонов рядом с изначальным (направление которого он хочет измерить), а второй отправляет на космическую станцию. Затем отправитель производит общее измерение на одном из связанных фотонов и на изначальном, а после передаёт результат получателю (любой связью: по телефону, почте и так далее).
Из-за того что частицы «запутаны», фотон на космической станции изменит направление поляризации в зависимости от того, каков результат измерения отправителя. Измерив все три направления поляризаций (связанные фотоны имеют противоположные направления, которые сократятся), получатель получит информацию об изначальном фотоне.
Изображение запутанности: на фотографии два близких фотона, взаимодействующих и обменивающихся физическими состояниями в течение короткого времени
На практике это значит, что отправленное таким способом сообщение получит только тот, кому оно адресовано. Даже если злоумышленнику удастся перехватить сообщение по классическому каналу (телефону, интернету и так далее), у него не будет возможности прочесть информацию из-за отсутствия одного из связанных фотонов, которые находятся у отправителя и получателя.
Квантовые компьютеры планируют использовать для создания новых лекарств, изучения свойств материалов, решения логистических задач (например, избавить город от пробок).
Хотя сейчас квантовые компьютеры не способны решать проблемы такого масштаба (слишком сложны в конструировании и нестабильны в работе), компании уже выпускают их, чтобы закрепиться на рынке.
Сейчас в компьютерах бит может находиться в двух состояниях — ноль или единица. В квантовом компьютере вместо битов — кубиты: квантовые частицы, которые могут быть не только нулями и единицами, но и значениями между этими цифрами. Как и в случае с «запутанностью фотонов», кубиты связаны между собой, поэтому квантовые компьютеры одновременно перебирают все возможные варианты решения, и на момент введения данных результат уже будет получен.
Скорость квантовых компьютеров можно оценить на примере: в 2019 году Google объявила, что её квантовый компьютер (с 53-кубитовым процессором) смог за 3 минуты 20 секунд выполнить расчёт, на который самому мощному в мире суперкомпьютеру Summit от IBM понадобилось бы примерно 10 тысяч лет. Пока квантовый компьютер от Google в партнёрстве с NASA может выполнять только один технический расчёт. Следующий этап проекта — решение практических задач с помощью этого устройства.
Современный исследовательский центр квантовых вычислений и квантового интернета QuTech также работает над созданием квантового компьютера. Для этого он привлекает молодых учёных и студентов старших курсов университетов.
В России квантовый компьютер разрабатывает «Росатом». Корпорация пообещала создать его к 2024 году и планирует потратить на него 24 млрд рублей. Экономический эффект от разработки ожидается не ранее чем через пять лет, планируется создать четыре типа квантовых компьютеров размером от 50 до 100 кубитов.
Многие компании заинтересованы в квантовых технологиях. Мы планируем параллельно работать над созданием софта для квантового компьютера, чтобы, когда его мощность достигнет достаточного размера, софт под запросы бизнеса к нему был уже готов.
«Росатом» ведёт переговоры о разработке с 25 компаниями, среди которых «Сбербанк» и «Сбербанк-Технологии», «Газпромбанк», «Сибур» и «Газпромнефть».
Поэтому разработчики коммерческих решений предлагают технологию квантового распределения ключей (метод, позволяющий двум сторонам, соединенным по открытому каналу связи, создать общий случайный ключ, который известен только им, и использовать его для шифрования и расшифрования сообщений) в виде сервиса.
Эта технология позволяет вырабатывать и менять симметричные ключи практически любой длины с недоступной ранее скоростью, предотвращая угрозу квантовых алгоритмов криптоанализа (подбирая нужный ключ, хакер потратит тысячи, если не миллионы, лет).
Такую альтернативу используют, например, в банковской сфере (ключи уже передаются в «Газпромбанке»), где требуется соблюдение особых условий безопасности. Компании Id Quantique, MagiQ, Smart Quantum уже предлагают готовые криптосистемы.
Среди других крупных проектов: «Ростелеком» прогнозирует в течение двух лет (начиная с середины 2019 года) запуск первых коммерческих сервисов с использованием квантового шифрования.
Мы переходим на принципиально новый уровень испытаний, когда создается многоузловая сеть с оборудованием различных вендоров.
На такой сети нам важно протестировать и показать потенциальным клиентам прототипы коммерческих сервисов, например, организацию защиты магистральных каналов передачи данных или виртуальных частных сетей (VPN) с помощью КРК.
На созданной в Санкт-Петербурге сети как раз будут обкатываться будущие коммерческие сервисы
В феврале 2020 года в журнале Nature Пан Цзянь-Вэй из Китайского Университета науки и технологий в Хэфэй и его коллеги описали эксперимент, в котором они продемонстрировали более эффективный способ запутывания двух частиц.
Команда создала запутанное состояние двух узлов из ансамблей охлаждённых атомов, помещённых в резонатор. Узлы были связаны оптоволокном, а запутанность строилась через фотоны, частоты которых были сдвинуты таким образом, чтобы потери в оптоволокне были минимальными. В итоге физики обнаружили новый способ более надёжного запутывания, чем в предыдущих экспериментах.
Это значительное улучшение. Разработанные методы можно использовать для построения квантовых сетей между городами в ближайшем будущем.
Этот эксперимент в будущем позволит создавать крупномасштабные квантовые сети, что может помочь развитию квантового интернета.
В 2016 году в России проложили первую в стране линию квантовой связи. Эта линия соединила два филиала «Газпрома» в Москве, а её общая протяжённость составила около 30 км. Вскоре запустили и первую междугороднюю линию в Ленинградской области. Её протяжённость составила 60 км.
В 2017 году специалисты РКЦ создали линию квантовой связи между двумя отделениями «Сбербанка» в Москве и опробовали её: передали по ней не только квантовые ключи шифрования, но и финансовые данные.
В 2021 году в России планируют создать коммерческую линию квантовой связи длиной 670 км. Проект «Ростелекома» называется «Ландау», его реализуют по программе «Цифровая экономика России 2024». Сеть между расположенными в Москве и Удомле (Тверская область) центрами обработки данных смогут использовать как крупные государственные компании, так и частные корпорации, в том числе банки.
В университете ИТМО планируют создать серийные устройства, которые позволят надёжно зашифровать обычные линии связи. Инвестором проекта стала компания СМАРТС, которая рассчитывает на запуск серийного производства устройств для квантовой защиты линий связи в течение трёх-пяти лет. «В мире интерес к квантовой связи проявляют в первую очередь финансовые организации и спецслужбы», — пояснил председатель совета директоров СМАРТС Геннадий Кирюшин.
Квантовый канал Пекин-Шанхай соединил Пекин с Цзинанем и Хэфэй с Шанхаем на расстоянии более 1200 миль. Несколько крупных китайских банков уже используют эту связь для передачи конфиденциальных данных.