Примерно год назад группа китайских учёных опубликовала статью, в которой сообщила о скорой смерти широко используемого метода RSA-шифрования с открытым ключом. На небольшом квантовом компьютере они показали, что взломать RSA можно с использованием меньшего числа кубитов, чем длина ключа. В этом таилась колоссальная угроза безопасности критически важным данным, что нужно было изучить. Всё оказалось не так просто.

Источник изображения: НИТУ МИСИС

Анализом работы китайских коллег занялась группа учёных Университета МИСИС, РКЦ и «Сбера». Считается, что большинство используемых в настоящее время криптосистем с открытым ключом защищены от атак через обычные компьютеры, но могут быть уязвимы для квантовых платформ. Поскольку компания IBM уже представила 433-кубитовый квантовый процессор Osprey, то ключ RSA-2048 теоретически может быть взломан в любой момент. В работе китайских специалистов доказывалось, что для этого хватит 372 кубитов, а не 20 млн, как считалось ранее.

Китайские исследователи использовали 10-кубитную платформу для разложения на простые множители (факторизацию) 48-битового ключа.

«Основываясь на классическом методе факторизации Шнорра, авторы используют квантовое ускорение для решения задачи поиска короткого вектора в решётке (SVP, shortest vector problem) небольшой размерности — что позволило им сделать сенсационное заявление о том, что для факторизации, т.е. разложения большого числа на множители, требуется меньше кубитов, чем его длина, а также квантовые схемы меньшей глубины, чем считалось ранее», — поясняют в пресс-релизе представители НИТУ МИСИС.

Российские исследователи пришли к выводу, что алгоритм коллег нерабочий из-за «подводных камней» в классической части и сложности реализации квантовой.

«Метод Шнорра не имеет точной оценки сложности. Основная трудность заключается не в решении одной кратчайшей векторной задачи, а в правильном подборе и решении множества таких задач. Из этого следует, что этот способ, вероятно, не подходит для чисел RSA таких размеров, которые используются в современной криптографии», — сказал Алексей Федоров, директор Института физики и квантовой инженерии НИТУ МИСИС, руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» РКЦ.

Предложенный китайскими учёными метод даёт только приближённое решение задачи, которое можно легко получить для небольших чисел и маленьких решёток, но практически невозможно для реальных длинных ключей, что российские учёные подробно объяснили в статье в журнале IEEE Access (ссылка на arxiv.org).

В то же время российские учёные рекомендуют не расслабляться, а готовиться к постквантовой криптографии. Появляются новые платформы и новые алгоритмы, и в один не очень прекрасный день окажется, что надёжные ещё вчера RSA-ключи вдруг перестали защищать ваши данные.

На саммите IBM Quantum исследователи анонсировали квантовый компьютер Quantum System Two на базе трёх процессоров IBM Heron и поделились дальнейшими планами по масштабированию квантовых систем с уменьшением ошибок, а также разработке программного обеспечения для них. IBM объявила о своём намерении преодолеть порог в 100 000 кубитов. В случае реализации этих планов, IBM может создать первую в мире платформу для универсальных квантовых вычислений.

Источник изображений: IBM

Квантовые вычисления используют свойства субатомных частиц, которые позволяют им находиться в разных состояниях одновременно. Благодаря этому квантовые машины могут одновременно выполнять большое количество вычислений и потенциально решать проблемы, выходящие за рамки возможностей традиционных компьютеров. Но кубиты, на которых основаны системы, нестабильны и сохраняют свои квантовые состояния лишь в течение очень коротких периодов времени, внося ошибки или «шум» в вычисления.

Использование возможностей квантовой механики — непростая задача. Квантовые системы требуют чрезвычайно низких температур, хрупки по своей природе и подвержены декогеренции. Точное манипулирование кубитами и измерение их состояний является серьёзной проблемой, а для успешного масштабирования квантовой системы частоту ошибок необходимо снизить с одной на тысячу до одной на миллион.

IBM заявила, что новые научные достижения её систем ознаменовали конец первой, экспериментальной фазы разработки, длившейся последние семь лет. Эта фаза ознаменовалась соединением достаточного количества кубитов вместе для проведения вычислений, разработкой способов управления кубитами для практического измерения их состояний и созданием первых квантовых алгоритмов.

По мнению IBM, сейчас человечество вступило во вторую фазу. Исследования сосредоточатся на характеристиках квантового оборудования, уменьшении и коррекции ошибок, а также проверке работоспособности приложений. На сегодняшний день IBM опубликовала около 2595 исследовательских работ со своими идеями и достижениями в этой области. К концу 2024 года компания планирует создать восемь центров квантовых вычислений в США, Канаде, Японии и Германии, чтобы обеспечить широкий доступ к Quantum System Two для исследователей.

Третья фаза должна расширить возможности масштабирования и обеспечить исправление ошибок. В IBM уверены, что достижение требуемого уровня коррекции ошибок ближе, чем представлялось ранее. Эта уверенность основана на новых исследованиях, в частности, на новой технологии межсоединений, обеспечивающей беспрецедентное масштабирование квантовых систем с тысячами кубитов.

Новая дорожная карта IBM Quantum подробно описывает программное обеспечение и аппаратные технологии, необходимые для обеспечения квантового преимущества, используя которые квантовая система сможет решать задачи, не доступные для традиционных компьютеров. Нерешённые проблемы в области искусственного интеллекта, химии, финансовых услуг, наук о жизни, физики и фундаментальных исследований могут, наконец, стать решаемыми, что сделает результаты близкими для человечества. Зелёные галочки на дорожной карте отмечают уже достигнутые этапы.

Следующим крупным достижением в области квантовых вычислений должен стать в 2025 году процессор Kookaburra, который выступит в роли «базового строительного блока», из которых будут строиться масштабируемые системы с коррекцией ошибок в режиме реального времени. В IBM заявили, что исследователи также пытаются использовать квантовые системы для поиска корреляций в больших объёмах данных и решения так называемых проблем оптимизации, которые могут помочь улучшить бизнес-процессы.

Текущая дорожная карта IBM формирует представление одного из ведущих разработчиков квантовых вычислений о дальнейшем развитии этой сферы на ближайшие десять лет. Ожидания того, что квантовые системы к настоящему времени будут близки к коммерческому использованию, в последние годы вызвали волну финансирования этой технологии. Но признаки того, что бизнес-приложения отстают от ожиданий, привели к предупреждениям о возможной «квантовой зиме» ослабления доверия инвесторов и финансовой поддержки.

Исследователи IBM убеждены, что квантовые вычисления начинают демонстрировать свою востребованность в качестве важнейшего инструмента научных исследований. «Впервые у нас есть достаточно большие и мощные системы, чтобы с их помощью можно было выполнять полезную техническую и научную работу» — заявил руководитель отдела исследований IBM Quantum Дарио Хил (Dario Gil). Он также отметил, что «видит очень здоровую промышленную базу, которая инвестирует в технологии», а компании, использующие квантовые системы IBM в рамках своей научно-исследовательской деятельности, продолжают инвестировать «циклически».

«Пройдёт некоторое время, прежде чем мы перейдём от научной ценности к, скажем так, коммерческой ценности, — уверен Джей Гамбетта (Jay Gambetta), вице-президент IBM по квантовым технологиям. — Но, по моему мнению, разница между исследованиями и коммерциализацией становится все меньше».

На ежегодной конференции IBM по квантовым вычислениям Quantum Summit 2023 корпорация представила новейший 133-кубитный квантовый процессор Heron и первый модульный квантовый компьютер IBM Quantum System Two на его базе. IBM также анонсировала процессор Condor с 1121 кубитом, который имеет на 50 % большую плотность кубитов. По словам главного квантового архитектора IBM Маттиаса Стефана (Mattias Stephan), усилия по созданию этого устройства «открыли путь к масштабированию» квантовых вычислений.

Источник изображений: IBM

Процессор Condor является частью долгосрочных исследований IBM по разработке крупномасштабных квантовых вычислительных систем. Хотя он располагает огромным количеством кубитов, производительность его сравнима с 433-кубитным устройством Osprey, дебютировавшим в 2022 году. Это связано с тем, что простое увеличение количества кубитов без изменения архитектуры не делает процессор быстрее или мощнее. По словам Стефана, опыт, полученный при разработке Condor и предыдущего 127-кубитного квантового процессора Eagle, проложил путь к прорыву в перестраиваемой архитектуре процессора Heron.

«Heron — наш самый производительный квантовый процессор на сегодняшний день, он обеспечивает пятикратное снижение ошибок по сравнению с нашим флагманским устройством Eagle, — сказал Стефан. — Это было путешествие, которое готовилось четыре года. Он был разработан с учётом модульности и масштабирования».

Ранее в этом году компания IBM продемонстрировала, что квантовые процессоры могут служить практическими платформами для научных исследований и решения проблем химии, физики и материаловедения, выходящих за рамки классического моделирования квантовой механики методом грубой силы. После этой демонстрации исследователи и учёные из многочисленных организаций, включая Министерство энергетики США, Токийский университет, Q-CTRL и Кёльнский университет, использовали квантовые вычисления для решения более крупных и сложных реальных проблем, таких как открытие лекарств и разработка новых материалов.

«Мы твёрдо вступили в эпоху, когда квантовые компьютеры используются в качестве инструмента для исследования новых рубежей науки, — сказал Дарио Хил (Dario Gil), старший вице-президент и директор по исследованиям IBM. — Поскольку мы продолжаем совершенствовать возможности масштабирования квантовых систем и приносить пользу посредством модульной архитектуры, мы будем и дальше повышать качество стека квантовых технологий промышленного масштаба».

IBM Quantum System Two размещена на объекте в Йорктаун-Хайтс, Нью-Йорк. Эта система на базе трёх квантовых процессоров Heron станет основой архитектуры квантовых вычислений IBM следующего поколения. Она сочетает в себе масштабируемую криогенную инфраструктуру и классические серверы с модульной электроникой управления кубитами. В результате систему можно будет расширять в соответствии с будущими потребностями, и «апгрейдить» при появлении следующего поколения квантовых процессоров.

Стремясь облегчить разработчикам и инженерам работу с квантовыми вычислениями, IBM анонсировала выход в феврале 2024 года версии 1.0 набора программных инструментов с открытым исходным кодом Qiskit, который позволяет создавать квантовые программы и запускать их на IBM Quantum Platform или симуляторе. В дополнение к Qiskit, IBM анонсировала Qiskit Patterns — способ, позволяющий квантовым разработчикам легко создавать код и оптимизировать квантовые схемы с помощью Qiskit Runtime, а затем обрабатывать результаты.

«С помощью Qiskit Patterns и Quantum Serverless вы можете создавать, развёртывать, запускать квантовые программы и в будущем предоставлять доступ к ним другим пользователям», — заявил Джей Гамбетта (Jay Gambetta), вице-президент IBM Quantum. На презентации он продемонстрировал использование генеративного ИИ на базе Watson X для создания квантовых схем при помощи базовой модели Granite, обученной на данных Qiskit. «Мы действительно видим всю мощь генеративного ИИ для облегчения труда разработчиков», — заключил Гамбетта.

Компания IBM сообщила, что на базе Токийского университета начал работать мощнейший в регионе квантовый компьютер — 127-кубитовая платформа IBM Quantum Eagle. Передача компьютера осуществлена в апреле этого года. От японских партнёров компания IBM рассчитывает получить идеи практического использования нового класса вычислительных устройств. Они обещают невообразимую мощь в обработке данных, но как это выглядит на практике, никто не знает.

Источник изображения: IBM

Ранее IBM уже передавала японским учёным квантовые системы. Так, в 2021 году на площадке Kawasaki Токийского университета была развёрнута 27-кубитовая система IBM Q System One. Новый компьютер несёт процессор IBM Eagle со 127 кубитами и обещает многократно ускорить выполнение расчётов.

Классический подход предполагает, что для начала практического применения квантовых компьютеров нужны будут системы с десятками и сотнями тысяч физических кубитов. Согласно обоснованиям специалистов Google, например, для исправления ошибок в одном логическом кубите необходимо 1000 физических кубитов. Тем самым безошибочный квантовый компьютер на 1000 кубитов потребует 1 млн физических кубитов для коррекции ошибок. Это означает, что практическую ценность Google рассчитывает увидеть в системах с тысячами и десятками тысяч кубитов. В IBM заявляют, что это не так.

В опубликованной этим летом работе специалисты IBM доказывают, что практическая ценность квантовых систем начинается со 100 кубитов. Нетрудно догадаться, что платформа IBM Eagle со 127 кубитами заявлена как первая практическая, о чём также сейчас заявили японские партнёры компании. Это тем более важно, что современные обычные суперкомпьютеры не способны эмулировать более 50 кубитов при работе с квантовыми алгоритмами.

Развёрнутая в Японии платформа IBM Quantum Eagle будет использоваться местным консорциумом Quantum Innovation Initiative (QII), в который вошло около двух десятков учебных заведений страны и компаний. Квантовую систему будут обучать искать новые материалы, лекарства, научат работать с финансами, физикой, химией и социологией. Для IBM это сулит впечатляющей отдачей в области, куда ещё никто серьёзно не проникал. Затраты на это огромны, но благотворительности в этом нет. Пионеры получат всё.

Японский научно-исследовательский институт RIKEN и компания Fujitsu объявили об успешной разработке квантового компьютера на 64 сверхпроводящих кубитах. Авторы проекта также подготовили гибридную платформу квантовых вычислений, доступ к которой они предоставят своим партнёрам.

Источник изображения: fujitsu.com

Новый квантовый компьютер основан на технологии, разработанной RIKEN и группой партнёров института, включая Fujitsu, которая использовалась в предыдущей совместной квантовой системе, представленной в минувшем марте. Fujitsu и RIKEN также объявили о запуске платформы гибридных квантовых вычислений, которая объединяет вычислительную мощность системы на 64 сверхпроводящих кубитах и одного из крупнейших в мире симуляторов квантового компьютера на 40 кубитов. Для работы нового комплекса разрабатывается гибридный квантовый алгоритм, связывающий квантовые вычисления с традиционными высокопроизводительными вычислениями (HPC). Он сможет использоваться для работы в различных областях, включая разработку медицинских препаратов и финансовых алгоритмов.

Разработка квантовых компьютеров сегодня продвигается быстрыми темпами, но лежащие в их основе технологии пока относятся к эпохе NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum era), которая характеризуется высоким несовершенством: помехи из окружающей среды пока оказывают слишком сильное влияние на квантовые вычисления. Отказоустойчивый квантовый компьютер или FTQC (Fault-Tolerant Quantum Computer), способный обеспечивать надёжные и точные результаты, появится не менее чем через десятилетие. Поэтому в Fujitsu и RIKEN решили применить гибридный подход, подключив к настоящему квантовому компьютеру его симулятор, который не подвержен ошибкам.

Для проверки работы системы разработчики применили её для расчёта энергии основного состояния молекулы H12 — цепочечной молекулы из 12 атомов водорода — и объединили алгоритм с технологией коррекции квантовых вычислений на основе искусственного интеллекта, призванной смягчить шумовые эффекты в квантовых компьютерах. Fujitsu и RIKEN также доложили, что продолжается разработка квантового компьютера на 1000 кубитов.

Учёные из Массачусетского технологического института представили альтернативную архитектуру сверхпроводящего кубита с более продолжительным временем работы и меньшей чувствительностью к ошибкам. Это две ключевые характеристики, которые могут привести к появлению коммерческих универсальных квантовых компьютеров. Архитектура испытана на одно- и двухкубитовых схемах, чем подтвердила свою перспективность.

Источник изображения: MIT

Современные квантовые вычислители компаний Google и IBM на сверхпроводящих кубитах для построения логических элементов используют так называемые трансмониевые кубиты (transmon). В основе таких кубитов лежит джозефсоновский переход, работающий на одной частоте. Около десяти лет назад были предложены кубиты на двухчастотных джозефсоновских переходах. Архитектурно трансмониевые кубиты можно считать одиночками, тогда как флюксониевые кубиты задействованы группами — цепочками, в которых несколько или даже множество джозефсоновских переходов. В этих группах низкочастотные флюксониевые кубиты использовались для хранения квантовых состояний (кубитов), а высокочастотные — для логических операций (гейтов).

Со временем было показано, что флюксониевые кубиты способны примерно на порядок дольше удерживать кубиты в когерентном состоянии, что давало время на выполнение логических операций с более низкой вероятностью возникновения ошибок, чем в случае трансмониевых кубитов. Так, одна из работ лета этого года показала, что время жизни флюксониевого кубита достигло 1,43 мс. До недавнего времени специалисты мало работали с флюксонием, но такие его выдающиеся качества игнорировать нельзя — это может стать кратчайшим путём к производительным и масштабируемым универсальным квантовым компьютерам.

Отказоустойчивая квантовая архитектура, в которой трансмониевый кубит связывает два флюксониевых кубита. Источник изображения: American Physical Society

В новой работе исследователи из MIT показали, как можно повысить надёжность работы (помехоустойчивость) флюксониевых кубитов. Дело в том, что сильная связь, образующаяся между флюксониевыми кубитами в цепочке, кроме полезных свойств также вела к увеличению влияния ошибок. Поэтому учёные фактически разбавили флюксониевые кубиты трансмониевыми, врезав трансмониевый элемент между двумя флюксониевыми.

Проведенные для однокубитовой и двухкубитовой флюксониевой схемы исследования показали, что точность работы двухкубитовых вентилей на основе новой архитектуры достигла 99,9 %, а однокубитной — рекордного значения в 99,99 %, о чём учёные рассказали в статье в журнале в журнале Physical Review X.

IonQ представила монтируемые в обычную серверную стойку квантовые компьютеры корпоративного класса Forte Enterprise и Tempo для центров обработки данных. О системах Forte было известно ранее, а Tempo стали новинкой, поставок которой придётся ещё подождать. Также системы Tempo отобрали у Forte звание самого мощного прикладного квантового компьютера в мире. Они позволят запускать задачи на 64 алгоритмических кубитах (AQ), тогда как платформы Forte опираются на 35 AQ.

Источник изображения: IonQ

Оба решения предназначены для предприятий и государственных структур, желающих интегрировать возможности квантовых вычислений в существующую инфраструктуру. Важно отметить, что кубиты квантовых систем IonQ при работе не требуют экстремального охлаждения, сильнейшего экранирования и защиты от вибраций, что жизненно необходимо, например, для квантовых компьютеров компаний IBM и Google, использующих сверхпроводящие кубиты. Кубиты в системах IonQ — это ионы в ловушках, которыми управляет лазер. Такие системы действительно просто интегрировать в современную инфраструктуру серверных залов, на что IonQ сделала ставку.

Добавим, компания IonQ предложила собственную метрику для оценки производительности квантовых вычислителей. В частности, она предложила отказаться от простого подсчёта количества кубитов в системе и того, как много из них одновременно могут находиться в запутанном состоянии. Такую метрику предложили в IBM и назвали её подсчётом квантового объёма компьютеров. Сделано это потому, что одно только число кубитов не может говорить о вычислительных возможностях квантового компьютера, ведь запутать и удержать в таком состоянии обычно можно только малую часть из них (алгоритмы запускаются только на кубитах в запутанном состоянии).

IonQ Forte Enterprise

Согласно предложению IonQ, для оценки производительности квантовой платформы необходимо использовать алгоритмические кубиты или кубиты, которые способны на некоторые элементарные операции или инструкции. Физических кубитов в системе может быть множество, но для запуска программы будут использоваться только комбинации некоторых из них. За базу были приняты типовые алгоритмы, установленные Консорциумом квантового экономического развития (QED-C). Компьютер IonQ Forte Enterprise, тем самым, имеет 35 алгоритмических кубитов, а Tempo — 64. Кажущееся на первый взгляд почти удвоение числа алгоритмических кубитов создаёт, тем не менее, колоссальную разницу в вычислительной мощности — в 536 млн раз, по оценкам производителя. И в этом вся суть квантовых вычислений — экспоненциальный рост производительности.

«Современные квантовые возможности часто ограничены доступностью систем и их неточностью при масштабировании. С помощью Tempo и Forte Enterprise компания IonQ даёт понять нашим партнерам, что квантовые технологии могут работать вместе с существующим оборудованием ЦОД и приведут к коммерческим преимуществам в течение двух лет, — сказал Питер Чепмен, генеральный директор и президент компании IonQ. — Мы быстро приближаемся к тому моменту, когда квантовые компьютеры станут стандартным набором инструментов для решения самых сложных мировых проблем. IonQ играет ведущую роль в обеспечении доступности наших систем, чтобы корпоративные компании могли подготовиться к этому моменту уже сейчас».

IonQ Tempo

Добавим, в октябре компания обещает раскрыть дальнейшие планы по созданию передовых квантовых вычислителей.

Исследовательская группа финского центра технических исследований VTT разработала устройство, которое позволяет осуществлять охлаждение полностью электронным способом, потенциально сокращая затраты на охлаждение квантовых компьютеров в десять раз. Уже в ходе экспериментов разработанная технология позволила снизить температуру на 40 %. Эти исследования могут существенно упростить создание энергоэффективных и производительных квантовых компьютеров.

Источник изображения: Quantware

Многие квантовые компьютеры используют трансмоны, сверхпроводящие кубиты для выполнения полезной вычислительной работы. Именно такую технологию выбрали многие компании, занимающиеся квантовым прогрессом, такие как IBM, Google, Amazon и другие. Для функционирования этих сверхпроводящих кубитов требуются температуры, близкие к абсолютному нулю. Необходимость смешивания различных изотопов гелия для достижения идеальных рабочих температур усложняет задачу.

Одним из фундаментальных ограничений любых высокоуровневых вычислений является способность отводить генерируемое в процессе тепло. Нагрев — одна из самых сложных инженерных проблем в современных вычислительных системах. Но квантовые компьютеры ещё более требовательны к охлаждению, чем традиционная электроника: они чувствительнее к внешнему вмешательству и менее устойчивы к различным типам помех. Поэтому требуются новые методы, позволяющие обеспечить более простое и эффективное охлаждение. До сих пор большинство систем охлаждения были основаны на отводе теплоносителя (например, воды или воздуха) от источника тепла.

Учёные из VTT разработали термоэлектронное устройство, которое отводит тепло в виде высвобождаемых электронов. Перенос энергии при прохождении электрического тока в месте контакта (спая) двух разнородных проводников известен с 1834 года под названием эффекта Пельтье. Исследователи ожидают, что применённый ими подход к использованию этого эффекта сможет обеспечить охлаждение электронных компонентов до температур в диапазоне от 1,5 К до 0,1 К.

Слои материалов накладываются друг на друга и соединяются туннельными переходами, через которые проходит электрический ток, что приводит к последовательному отводу тепла от слоя к слою. Самая низкая температура достигается на самом верхнем слое — чипе, который используется для вычислений.

Источник изображения: VTT

Одна из проблем термоэмиссионных охладителей заключается в том, что помимо электронов другие частицы также взаимодействуют друг с другом и нередко охлаждение, достигнутое за счёт отведения электронов, теряется в результате «возвращения» тепла другими частицами при их взаимодействии с охлаждённым материалом. Этот процесс известен как «обратное рассеяние». Как утверждается, преимущество нового термоэлектронного устройства состоит в том, что оно способно блокировать возвращающиеся частицы от взаимодействия с ранее охлаждённой поверхностью и, соответственно, её нагрева.

Разработчики утверждают, что их разработка позволит создать сравнительно дешёвые и компактные устройства охлаждения, превосходящие классические жидкостные системы отвода тепла. «Наша технология может помочь отрасли уменьшить общий размер квантовой компьютерной системы», — уверены исследователи.

Эта технология пока находится на стадии развития, но уже сейчас понятно, что для успешной разработки как квантовых, так и классических вычислительных систем требуются фундаментальные прорывы в охлаждении. Пока перспективы нового термоэлектронного устройства неясны, но оно, по крайней мере, устраняет некоторые препятствия и предлагает меньшие по размеру и более эффективные решения для охлаждения.

Компания Google анонсировала интеграцию алгоритмов шифрования, устойчивых к атакам с помощь квантовых компьютеров, в свой браузер Chrome. Речь идёт о внедрении гибридного механизма инкапсуляции ключей (KEM) для защиты процесса установки защищённого соединения TLS. Нововведение будет реализовано в Chrome 116, стабильная версия которого станет доступна пользователям 15 августа.

Источник изображения: Pixabay

Браузер получит поддержку шифрования X25519Kyber768, которое объединяет в себе классический алгоритм X25519 и Kyber-768, квантово-устойчивый механизм инкапсуляции ключей, одобренный в прошлом году Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) США для использования в постквантовой криптографии. Google внедряет новый гибридный механизм в Chrome, чтобы крупные интернет-компании, такие как Cloudflare, имели возможность протестировать квантово-устойчивые алгоритмы, сохраняя при этом текущий уровень защиты.

Работа над созданием новых механизмов ведётся из-за опасений по поводу того, что с помощью квантовых компьютеров могут быть взломаны некоторые алгоритмы шифрования, используемые в настоящее время. Эти опасения побудили NIST ещё в 2016 году призвать разработчиков к созданию алгоритмов, устойчивых перед квантовыми компьютерами.

По мнению экспертов, квантовые компьютеры, способные взломать современные криптографические алгоритмы, могут появиться через 5, 10 или даже 50 лет. Несмотря на это, создание устойчивых алгоритмов является важной задачей уже сейчас. Это связано с тем, что некоторые алгоритмы уязвимы для разнесённых во времени атак, когда данные собираются и хранятся до тех пор, пока криптоанализ не станет более совершенным.

На днях на Форуме будущих технологий физики из ФИАН вместе с коллегами из Российского квантового центра представили 16-кубитный квантовый компьютер на ионах иттербия. Примерно за минуту компьютер выполнил моделирование молекулы гидрида лития, на что обычному компьютеру потребовалось бы гораздо больше времени.

Квантовый компьютер на ионах. Источник изображения: Фонд НТИ

«У нас всё получилось, — подвел итог вычислениям руководитель «Росатома» Алексей Лихачев, который доверил удалённо запустить вычисления президенту России Владимиру Путину. — Это практическая задача».

Гидрид лития — это неорганическое соединение, которое применяется, в частности, в атомной энергетике, как пояснили в агентстве ТАСС, которое осветило событие.

Согласно плану развития квантовых технологий в России, государство выделило порядка 100 млрд рублей на создание 100-кубитового квантового компьютера к 2025 году. Российские учёные сделали ставку на кубиты из ионов, которые демонстрируют большее время когерентности и, следовательно, дают больше шансов на успешное завершение квантовых алгоритмов с меньшим уровнем ошибок.

Прототип четырёхкубитового компьютера на ионах был представлен в 2021 году. Затем учёные расширили платформу до использования кудитов вместо кубитов — это сродни увеличению разрядности каждого кубита, что позволяет наращивать производительность без увеличения числа физических кубитов. В этом году система разрослась до 16 кубитов. В следующем году учёные обещают представить 20-кубитовый процессор. Возможно в 2025 году 100-кубитовая система и не появится, но если в ход пойдёт увеличение разрядности через кудиты, то план развития квантовых технологий в России вполне может быть выполнен и даже перевыполнен.

На сайте ArXiv обнаружился препринт статьи исследователей Google, в котором заявлено о достижении компанией квантового превосходства в вычислениях. Это означает, что квантовые компьютеры за секунды справляются с алгоритмами, на решение которых классическим компьютерам требуются десятки и даже тысячи лет. Четыре года назад компания уже объявляла о подобном достижении, но его оспорили. Сегодня Google уверена в себе как никогда.

Источник изображения: Google

Ещё в 2019 году Google заявила, что её 53-кубитовый компьютер Sycamore за 200 секунд выполнил алгоритм, на исполнение которого суперкомпьютеру IBM Summit потребовалось бы 10 тыс. лет. Тем самым компания заявила о достижении квантового превосходства. За такое заявление Google подверглась аргументированной критике и затихла на долгие четыре года. Новая работа — «Фазовый переход в случайной выборке цепей» — фактически повторяет предыдущий эксперимент, но уже на более мощной 70-кубитовой вычислительной платформе. Для квантовых систем с их бесконечной вероятностью значений от 0 до 1 на каждом кубите увеличение платформы на 25 кубитов экспоненциально или в сотни миллионов раз увеличивает квантовую производительность.

С таким ростом производительности Google надеется закрепиться в области, куда ещё не ступала нога айтишника. С практической точки зрения алгоритм не имеет никакой ценности — на квантовых схемах генерируются случайные состояния, а система их считывает до нарушения когерентности (разрушения квантового состояния). По словам Google, на 70 кубитах задача решается за 6,5 с. Самый мощный суперкомпьютер современности — экзафлопсный Frontier — будет исполнять этот же алгоритм 47 лет. Заметим, это не 10 тыс. лет, как в предыдущем заявлении, но тоже впечатляет. Вероятно, Google сделала выводы из нападок на неё в прошлый раз и решила выступить не так радикально.

Кстати, специалисты Google, по заявлению The Telegraph, также далеко обогнали китайских коллег, которые, по словам издания, считаются лидерами в области квантовых вычислений.

В статье специалисты компании резюмируют: «Мы пришли к выводу, что наша демонстрация находится в режиме за пределами классических квантовых вычислений». Иными словами, классические системы не способны обрабатывать квантовые алгоритмы за разумное время. В интервью изданию The Telegraph исполнительный директор занятой квантовыми проблемами компании Riverlane Стив Брайерли (Steve Brierley) заявил: «Споры о том, достигли ли мы или действительно можем достичь квантового превосходства, теперь разрешены».

Но всё ли так хорошо? Глава компании Universal Quantum из Брайтона Себастьян Вайдт (Sebastian Weidt) отметил, что было бы неплохо, если бы квантовые компьютеры показали больше практической ценности. В ответ на заявление Google он сказал: «Это очень хорошая демонстрация квантового преимущества. Хотя с академической точки зрения это большое достижение, используемый алгоритм не имеет практического применения в реальном мире».

Тем самым Google доказала квантовое превосходство в области, которая не имеет никакой практической ценности. Впрочем, это не совсем так. Ценность есть и заключается она в изучении устойчивости квантовых вычислений к шумам, а это краеугольный камень будущих универсальных квантовых компьютеров.

В то же время даже такой синтетический алгоритм позволил узнать нечто новое об устойчивости квантовых состояний к помехам. Специалисты смогли оценить влияние ошибок на результаты вычислений, что в ряде случаев вело к появлению новых состояний в системе. Эти оценки могут помочь в исправлении ошибок или в смягчении их влияния на конечный результат. Но можно ли это назвать квантовым превосходством? В любом случае, Google снова выбросила на арену научных споров «красную тряпку». Это гарантировано вызовет волну новых диспутов на тему квантового превосходства и это просто замечательно. Истина рождается в споре.

В обычном мире невозможно произнести слова в пустой комнате, а спустя время зайти и послушать сказанное ранее. Но в квантовом мире такое возможно и это открывает путь к механическим записывающим устройствам для квантовых компьютеров — данные предложили хранить в звуковых волнах.

Источник изображения: Pixabay

Очевидно, что без возможности запоминать промежуточный результат квантовые вычисления будут сильно ограничены, а их масштабирование столкнётся с трудностями. Группа исследователей из Калифорнийского технологического института предложила полностью новый подход для запоминания квантовой информации. Учёные предложили переводить электрические квантовые состояния в звуковые волны и извлекать их, когда это необходимо.

Разработка опирается на то, что монокристаллы при сверхнизких температурах могут исключительно долго находиться в состоянии колебаний. Этот эффект наблюдается в колебаниях таких квазичастиц, как акустические фононы. Частота колебаний лежит в гигагерцовом диапазоне и время жизни фононов значительно превышает все иные альтернативные методы механической записи информации, утверждают исследователи.

Чтобы передать электрическое квантовое состояние на «звучащий» фонон достаточно поместить заряд на колеблющийся кристалл. Воздействуя на заряд (заряжённый кристалл), мы меняем частоту колебания фононов и, тем самым, записываем бит информации. Этим обеспечивается электрическая связь между квантовыми платформами и механической запоминающей системой.

Учёные подчёркивают, что до них нечто подобное предлагалось сделать на основе пьезоэлектрических элементов. Однако пьезоэлектрики требуют особых материалов и специальных условий производства, тогда как в предложенной ими системе используются самые обычные материалы.

В журналах Nature и Science группа учёных из Вашингтонского университета сообщила об обнаружении признаков теоретически перспективных топологических кубитов — энионов (не путать с анионами). В своё время топологические квантовые вычисления и энионы как кубиты предложил использовать российский физик Алексей Китаев, но с практической и даже экспериментальной реализацией этих возможностей так и не сложилось. Новое открытие обещает с этим помочь.

Дробление заряда электрона на три части в представлении художника. Источник изображения: Eric Anderson/University of Washington

В общем случае топологические квантовые вычисления предполагают использовать топологические кубиты, которые от обычных кубитов отличаются очень высокой устойчивостью к внешним возмущениям. Это означает, что квантовая система будет свободна от ошибок даже при довольно большом числе кубитов в системе. Китаев предложил на роль топологических кубитов двумерные топологические фазы с анионами в которых наблюдается дробный квантовый эффект Холла (FQAH, fractional quantum anomalous Hall).

И вот теперь о надёжном обнаружении признаков дробного эффекта Холла сообщили американские учёные. Открытие знаменует собой первый и многообещающий шаг в создании отказоустойчивого кубита, потому что состояния FQAH могут содержать энионы — странные «квазичастицы», которые имеют лишь часть заряда электрона. Некоторые типы анионов, как предсказывал Китаев, можно использовать для создания так называемых «топологически защищённых» кубитов, устойчивых к любым небольшим локальным возмущениям.

«Это действительно устанавливает новую парадигму для изучения в будущем квантовой физики с дробными возбуждениями», — сказал Сяодун Сюй (Xiaodong Xu), ведущий автор работ, который также является заслуженным профессором физики Boeing и профессором материаловедения и инженерии в Университете Вашингтона.

Добиться заявленного эффекта учёные смогли при постановке эксперимента с двумя «чешуйками» такого двумерного полупроводникового материала, как теллурид молибдена (MoTe₂). Одну пластинку толщиной в атом наложили на другую и слегка повернули, чтобы атомные решётки образовали муар. В результате электроны выстроились в структуру, которая воспроизвела новую экзотическую форму материи со своими свойствами.

Например, структура проявила магнетизм без приложения внешнего магнитного поля. И если в обычных условиях для возникновения квантового эффекта Холла требуются сильнейшие магнитные поля, что ставит крест на практической ценности явления, то в новом состоянии вещества внутренний магнетизм привёл к возникновению этого эффекта и к появлению энионов (к «расщеплению» заряда взаимодействующих электронов на дробные и устойчивые части). Из этого возникает устойчивость кубитов и возможность их связанного или запутанного состояния — всё, что нужно для устойчивых квантовых вычислений.

Более того, предложенная платформа обещает помочь в исследовании других не менее экзотических квазичастиц, также предложенных Китаевым в кандидаты топологических кубитов — неабелевых энионов.

«Этот тип топологического кубита будет принципиально отличаться от тех, которые могут быть созданы сейчас, — сказал докторант физики Университета Вашингтона Эрик Андерсон (Eric Anderson), ведущий автор статьи в Science и соавтор статьи в Nature. — Странное поведение неабелевых энионов сделало бы их гораздо более надежными в качестве платформы квантовых вычислений».

Microsoft конкретизировала свои планы по созданию собственного квантового компьютера с использованием топологических кубитов — над этим решением компания работает уже несколько лет. Согласно дорожной карте, предстоит преодолеть ещё множество промежуточных этапов, но, как заявила вице-президент Microsoft по квантовым разработкам Криста Своре (Krysta Svore), создание суперкомпьютера, способного выполнять миллион квантовых операций в секунду, займёт менее десяти лет.

Источник изображения: efes / pixabay.com

В прошлом году Microsoft объявила о крупном прорыве, когда её разработчики нашли способ создавать кубиты на основе фермионов Майораны — они чрезвычайно стабильны, но и получать их тоже чрезвычайно сложно. Корпорация делала ставку на это направление с самого начала, и спустя год после первого ощутимого успеха инженеры Microsoft опубликовали статью в рецензируемом журнале, в которой заявили, что преодолели первый этап на пути к созданию квантового суперкомпьютера. Исследователи привели намного больше данных, чем год назад, когда впервые рассказали о своей работе.

Сегодня в распоряжении Microsoft есть квантовые машины среднего масштаба — они пока недостаточно надёжны, чтобы сделать нечто практичное, поэтому на следующем этапе будет необходимо обеспечить точность вычислений. Исследователи планируют получить систему, способную выполнять миллион надёжных квантовых операций в секунду при одном отказе на триллион операций. Кубиты размером менее 10 мкм каждый получат аппаратную защиту. После этого будет проработан механизм их запутывания и управления.

В работе компании поможет её новая платформа Azure Quantum Elements, которая ускорит научную работу за счёт объединения высокопроизводительных традиционных вычислений, алгоритмов искусственного интеллекта и квантовых вычислений. Новым вспомогательным инструментом для учёных и студентов также станет ИИ-модель Copilot для Azure Quantum, предназначенная для квантовых расчётов и симуляций.

Если квантовые компьютеры пойдут по пути развития классических систем, то следующим шагом для них станет объединение в сети, включая глобальные. Необходимо будет передавать квантовые состояния, в частности — запутывать кубиты одного компьютера с кубитами другого. На небольших расстояниях это ещё можно сделать, но обеспечить такую передачу на десятки, сотни и тысячи километров — это задача, требующая особых ретрансляторов. Работу такого показали в Австрии.

Источник изображения: Harald Ritsch/University of Innsbruck

Проблема с ретрансляторами квантовых состояний в том, что любое измерение квантовых характеристик объекта ведёт к коллапсу всех остальных состояний. Такая физика сильно затрудняет квантовое распределение ключей и квантовую криптографию на этой основе. Дополнительно проблему усугубляет тот факт, что передачу квантовых состояний необходимо втиснуть в существующую кабельно-волоконную инфраструктуру — обеспечить работу как на пассивном, так и на активном оборудовании. Если проще — переносящий квантовое состояние фотон требуется сначала перевести в фотон со стандартной для современной телекоммуникации частотой для его передачи по оптике, где свои требования к длинам волн, а затем сделать обратное преобразование.

Осуществить подобный трюк удалось учёным из австрийского Университета Инсбрука. Исследователи собрали ретранслятор запутанности фотонов и показали её «телепортацию» на 50 км. Уточним, речь идёт не о передаче информации, которую можно расшифровать тем или иным способом, а о передаче квантового состояния (обычно речь идёт об измерении спина — ориентации магнитного вектора элементарной частицы). Один из фотонов мог быть 0, 1 или бесконечным множеством промежуточных значений, но при измерении характеристик одного из них, второй мгновенно показывал противоположное значение по измеряемому параметру.

На самом деле, учёные не выносили оптоволокно из лаборатории и использовали бобины с двумя отдельными 25-км отрезками оптического кабеля. Ретранслятор с квантовой памятью соединял эти отрезки посредине. Квантовая память в виде ионов кальция в оптической ловушке (в оптическом резонаторе) играла роль запоминающего устройства на случай потери фотонов в процессе передачи, но главное — она была ключевым элементом в обмене запутанными состояниями между фотонами в одном и другом отрезке оптоволокна.

Каждый из ионов кальция испускал по фотону. Эти фотоны разлетались по своим кабелям (сегментам сети) и при этом оставались спутанными каждый со своим ионом. Перед отправкой фотона в другой конец оптоволокна его преобразовывали в фотон с длиной волны 1550 нм, чтобы он соответствовал действующему стандарту в телекоммуникации. Затем ионы кальция запутывали между собой. Эксперимент показал, что запутывание ионов в ретрансляторе вело к синхронному запутыванию фотонов или, проще говоря, к мгновенной передачи запутанности по оптическому кабелю длиной 50 км.

Согласно проделанным экспериментам, учёные сделали вывод о необходимости ретрансляции квантовых состояний каждые 25 км. Это будет наилучшим образом соответствовать требованиям для сохранения высокой пропускной способности и наименьшей вероятности появления ошибок.