Las paradojas y misterios de la física cuántica excitan las mentes de los científicos durante mucho tiempo. Hoy, sobre la base de las propiedades inusuales de las partículas cuánticas, se están construyendo nuevos instrumentos y dispositivos que pueden ser muchas veces superiores en sus características a los análogos clásicos.
Alexey Fedorov, Director Científico del Grupo de Tecnologías de Información Cuántica en el RCC, dirigió una historia sobre los eventos en la "Industria Cuántica" al personal de Acronis. En esta publicación, proporcionamos una transcripción de su conferencia sobre tecnologías cuánticas con adiciones para compartir datos útiles e interesantes con los suscriptores de Acronis en Habrahabr.
Se están implementando proyectos a gran escala en Estados Unidos, Europa, China y Rusia. El mayor interés es una computadora cuántica: no solo las universidades participan en la carrera por su construcción, sino también las grandes corporaciones, incluidas Google, IBM, Microsoft e Intel. Se predice que las computadoras cuánticas pueden revolucionar de varias maneras, por ejemplo, en la protección de la información, la inteligencia artificial y el modelado de nuevos materiales.
En el contexto moderno, las tecnologías cuánticas son métodos para controlar objetos cuánticos individuales, como átomos, fotones, electrones, iones, etc. A diferencia de los sistemas clásicos, que siempre están en uno de los estados posibles, los sistemas cuánticos pueden estar en un estado de superposición cuántica: estar simultáneamente en todos los estados admisibles. Un ejemplo de la diferencia entre el mundo clásico y el cuántico puede ser una moneda. Puede definir dos estados para una moneda, un águila o una cola, y codificarlos como 0 y 1. Luego, una moneda clásica puede estar en el estado 0 o en el estado 1. Dos monedas, en uno de los 4 estados posibles al mismo tiempo. Cuatro monedas están en uno de los 16 estados. Diez monedas están en uno de 1024 estados.
El principio de superposición permite que una "moneda cuántica" no solo sea estrictamente un águila o una cola, sino que también se encuentre en uno de un número infinito de estados "intermedios" entre el águila y la cola. Será más exacto decir que una moneda cuántica puede estar en un estado de águila y cola al mismo tiempo. En este caso, dos alternativas incompatibles desde el punto de vista clásico (una moneda arrojada por un águila y una moneda arrojada por un mosaico) parecen superponerse entre sí dentro de un único estado cuántico. Esto es lo que los científicos llaman superposición cuántica, y el hecho de que nuestro cerebro, que creció en el mundo clásico, ni siquiera es capaz de imaginarlo, solo puedes acostumbrarte. Además, para describir completamente una superposición cuántica de este tipo, se requieren dos números complejos correspondientes a cada una de las alternativas distinguibles clásicamente. Dos "monedas cuánticas" pueden estar en una superposición de 4 estados. Y 10 "monedas cuánticas" están en una superposición de 1024 estados. Estas "monedas cuánticas" se llaman qubits, análogos cuánticos de bits de información. Para describir un sistema de n qubits, se requieren 2 ^ n números complejos.
La característica principal de la computación cuántica es precisamente esta: con un aumento en el número de qubits, el número de parámetros que operamos en los cálculos crece exponencialmente. Si hay incluso 50 qubits, el número de números complejos necesarios para describir su estado, 2 ^ 50, será tan grande que será imposible modelar con precisión tal sistema incluso en la supercomputadora más poderosa. Tal umbral es una de las posibles explicaciones para el fenómeno llamado supremacía cuántica (supremacía cuántica o ventaja cuántica): la capacidad de usar una computadora cuántica para resolver aquellas tareas que no son capaces de las computadoras clásicas existentes.
Búsqueda cuántica y carrera cuánticaSin embargo, construir una computadora así no es fácil. Para hacer esto, debe resolver una "búsqueda" completa para administrar la materia cuántica. Actualmente, muchos laboratorios en el mundo están desarrollando nuevos métodos para gestionar objetos cuánticos. Se está llevando a cabo una carrera cuántica tanto entre las empresas como en la comunidad científica. Los principales desarrolladores están introduciendo cada vez más soluciones nuevas. Pero la carrera cuántica es de fundamental importancia: más allá del umbral de la supremacía cuántica, nos esperan nuevos descubrimientos en campos completamente diferentes de la física: desde la física de baja temperatura hasta la física de alta energía. Además, las computadoras cuánticas también tienen un gran potencial para resolver problemas prácticos, por lo tanto, las corporaciones se han unido en su desarrollo.
¿Cuál es la búsqueda para gestionar la materia cuántica? Por un lado, es necesario tener un número suficientemente grande de qubits para proporcionar un gran espacio de estados, pero, por otro lado, es necesario controlar cada qubit individualmente. Está claro que cuanto más grande es el sistema, más difícil es administrarlo a nivel de componentes individuales individuales. Esto es especialmente importante para la física cuántica, pero, si lo piensa, se aplica a otras áreas de la actividad humana. Por ejemplo, si desea crear una empresa enorme y genial, tendrá que contratar a muchas personas con talento. Pero cuanto más sean estas personas, más difíciles serán sus interacciones y más difícil será controlarlas :-)
En el mundo cuántico, lograr un equilibrio entre escala y previsibilidad es el mayor desafío hoy en día. Pero, una vez superado, podremos desarrollar potentes computadoras cuánticas que pueden resolver problemas interesantes. Por ejemplo, IBM usa el término volumen cuántico: este es el número de qubits por el número de errores en la operación. Esta es una medida muy obvia, muestra que no basta con decir cuántos qubits hay en el sistema, el grado de control sobre ellos también es importante, lo que ayuda a evitar errores. Para el crecimiento del volumen cuántico, es necesario el crecimiento tanto de la cantidad como de la "calidad" de los qubits.
Siempre se debe tener en cuenta que la probabilidad de errores es una propiedad integral del "hierro" cuántico. Por lo tanto, hablando de qubits, es necesario separar qubits físicos y qubits lógicos. Los qubits físicos son átomos reales o cadenas superconductoras, los llamados elementos "estampados". Los qubits lógicos son aquellos objetos sobre los cuales existe un control real, y se puede acceder a ellos con parámetros fijos sin errores. Las capacidades computacionales de una computadora cuántica están determinadas en última instancia por la cantidad de qubits lógicos que funcionan perfectamente. En términos del volumen cuántico, esto puede entenderse de la siguiente manera: si el nivel de errores es cero, entonces aumentan las capacidades computacionales (volumen cuántico) debido a un aumento en el número de qubits lógicos.
Si hablamos de avances en el campo de las computadoras cuánticas en funcionamiento, no podemos dejar de mencionar la computadora IBM a 50 qubits. Se convirtió en una de las primeras computadoras cuánticas de esta magnitud. El "caballo de batalla" de las computadoras cuánticas de IBM son los qubits superconductores, que deben enfriarse a temperaturas muy bajas para su trabajo. En el procesador cuántico de IBM, el control individual sobre cada qubit no se implementa y el nivel de errores es bastante alto, pero el chip ya existe. IBM también tiene computadoras cuánticas abiertas de 5 qubits y 16 qubits que todos pueden usar a través de Internet. Además, en unos años, la corporación planea hacer un sistema de 100 qubits. Recientemente, IBM anunció la computadora cuántica integrada IBM System One, que es un dispositivo completo que no requiere, según los desarrolladores, ninguna condición especial para el trabajo; sin embargo, esto acerca significativamente dicho sistema a los usuarios, al tiempo que resuelve tareas prácticamente importantes y demandadas usando una computadora de este tipo hasta ahora Es dificil hablar.
Intel está al borde del mismo hito de 50 qubits, pero utiliza una tecnología diferente para crear qubits. Y esto es bueno, porque si una de las corporaciones encuentra problemas para implementar su enfoque, la segunda continuará avanzando hacia el progreso.
El líder de la carrera cuántica de hoy es Google, que demostró una computadora cuántica de 72 qubits. La tecnología central de Google es la misma que la de IBM: qubits superconductores. Un grupo de científicos y desarrolladores de Google también ha publicado una serie de artículos científicos que describen enfoques para lograr la excelencia cuántica. Entonces, en el futuro cercano, se puede esperar que la compañía demuestre superioridad cuántica con la ayuda de su procesador cuántico desarrollado.
También se creó un sistema de 51 qubits en la comunidad académica; esto fue posible para el grupo de Mikhail Lukin (un graduado de Fiztekh y el jefe del Consejo Asesor Internacional del Centro Cuántico Ruso) basado en átomos neutros ultrafríos, así como un sistema de 53 qubits del grupo de Christopher Monroe de la Universidad de Maryland, que también Es el fundador de IonQ, una compañía que desarrolla una computadora cuántica comercial basada en iones. Por cierto, IonQ no es el único ejemplo de una startup en el campo de la computación cuántica, ahora hay más de una docena de ellas.
Obviamente, China tiene un gran potencial en el campo cuántico. "Celestial" tiene planes grandiosos, planeando construir la computadora cuántica más grande, y los desarrolladores ya tienen $ 12 mil millones para crear el Laboratorio Nacional Cuántico.
Algo aparte es la compañía D-Wave. El procesador D-Wave tiene miles de qubits, pero funcionan en un modo diferente: el modo de recocido cuántico. Esto le permite resolver con la ayuda de dicha computadora, de hecho, solo una tarea. A pesar del hecho de que compañías como Google y Volkswagen ya están trabajando con D-Wave, hay acalorados debates sobre las ventajas de una computadora tan cuántica.
Lado aplicado de la cuestión
A pesar de todos los esfuerzos, hoy las computadoras cuánticas no resuelven muchos problemas prácticos, pero el potencial parece impresionante. Ahora el desarrollo de la computación cuántica va en dos direcciones:
- Computadoras cuánticas especializadas que tienen como objetivo resolver un problema específico específico, por ejemplo, problemas de optimización. Un ejemplo de un producto son las computadoras cuánticas D-Wave.
- Computadoras cuánticas universales: que pueden implementar algoritmos cuánticos arbitrarios. Hoy en día, solo hay pequeños prototipos de computadoras cuánticas universales: Google, IBM e Intel están trabajando en esta dirección. Sientan las bases, pero hasta ahora no permiten hacer algo a gran escala y no saben cómo hacer frente a los errores.
En cualquier caso, las computadoras cuánticas permiten operar con un gran espacio de estados, y esto puede ser útil, por ejemplo, para resolver problemas de búsqueda, optimizar varios procesos y modelar sistemas complejos.
Debido al hecho de que IBM ofrece a todos usar una computadora cuántica, los programadores cuánticos modernos ya están capacitándose en el ensamblaje de tareas y su ejecución en pequeñas computadoras cuánticas. Por ejemplo, para buscar en una base de datos desordenada, el algoritmo cuántico tiene una ventaja cuadrática. En dicha tarea, una base de datos desordenada se puede representar como una especie de "recuadro negro", a la que se envían solicitudes (direcciones de elementos en esta base de datos), y un recuadro negro responde "sí" o "no" (es el elemento ubicado en dirección dada, requisitos de solicitud). Imagine que en alguna base de datos la dirección de cada elemento consta de n bits, y en esta base de datos solo hay un elemento que cumple ciertas condiciones. Para encontrar este elemento, en promedio, necesitamos alrededor de 2 ^ n consultas (más precisamente, 2 ^ (n-1)), porque Debido al desorden de la base de datos, todo lo que nos queda es clasificar todas las direcciones posibles (de las cuales 2 ^ n piezas) secuencialmente hasta que finalmente tengamos suerte y lleguemos al elemento correcto. Si tenemos un análogo cuántico de dicha caja negra (también se llama el "oráculo cuántico"), para obtener una respuesta necesitamos alrededor de 2 ^ (n / 2) solicitudes. La ventaja del "algoritmo de enumeración cuántica", que lleva el nombre de L. Grover, se debe a la capacidad de hacer muchas preguntas al cuadro cuántico al mismo tiempo, para formar una superposición de consultas.
Es importante tener en cuenta que la tarea de búsqueda en una base de datos desordenada es de naturaleza universal: casi cualquier otra tarea (incluida NP-complete) puede reducirse a ella. Sin embargo, para resolverlo, el número de consultas tendrá que crecer exponencialmente con la complejidad de la tarea (en el ejemplo considerado, el parámetro n le corresponde). Por lo tanto, no debe tratar una computadora cuántica como una herramienta omnipotente capaz de resolver problemas computacionales arbitrarios con aceleración exponencial. En algunos casos, sus capacidades serán mucho más modestas.
Sin embargo, un gran potencial ya es evidente hoy para problemas en el campo de la química cuántica. Por ejemplo, en la industria, el cálculo de los parámetros de los compuestos químicos y el modelado de las reacciones químicas son muy demandados. Cuando usamos computadoras clásicas, carecemos de las capacidades y, a menudo, tenemos que comprometernos con la precisión. Las computadoras cuánticas pueden ayudar a determinar en detalle las cadenas de reacción, la dinámica del proceso, encontrar catalizadores para las reacciones deseadas, ¡todo esto es muy útil! Uno de los problemas más discutidos hoy es la producción de amoníaco. Este compuesto se usa activamente en fertilizantes para plantas, y el 1-2% de toda la energía en la tierra se gasta en su producción (datos del Informe de Computación Cuántica y BP). Si con la ayuda de una computadora cuántica sería posible optimizar el proceso de producción de amoníaco debido al conocimiento preciso de todos los parámetros, entonces ya pagaría todas las inversiones realizadas en el desarrollo de tecnologías (recuerde, 1-2% de la energía mundial).
Recientemente, en la unión de la física cuántica y el aprendizaje automático, ha surgido una nueva dirección: el aprendizaje automático cuántico o, como se suele decir, la IA cuántica. Es importante que la superioridad de una computadora cuántica sobre las clásicas en los problemas de aprendizaje automático no requiera una computadora cuántica completa y de múltiples qubits. Usando una computadora cuántica, por ejemplo, será posible acelerar elementos individuales de algoritmos de aprendizaje automático, así como acelerar el proceso de aprenderlos. En Google en los últimos años, el aprendizaje automático cuántico se considera una de las principales áreas en todo el campo de la tecnología cuántica.
No se trata solo de hardware
Sin embargo, para el próximo avance no solo se necesita hierro, sino también nuevos algoritmos cuánticos rápidos. Hay un progreso notable. Por ejemplo, para estudiar el compuesto Fe2S2 utilizando algoritmos de química cuántica, tardó treinta años antes cuando se analizó en una computadora cuántica. Al buscar un algoritmo más óptimo, este tiempo se redujo a 2 minutos, teniendo en cuenta el uso del mismo hierro.
Sin embargo, los algoritmos cuánticos aún no son suficientes. Si bien todavía hay solo unas pocas docenas, y para el desarrollo completo del campo de la computación cuántica, debería haber muchos más algoritmos.
Temores y tecnologías de seguridad de la información.
Una computadora cuántica tiene dos lados: oscuro y claro. Hasta ahora, hemos hablado sobre el lado positivo: resolver tareas prácticamente demandadas que no se pueden resolver con la ayuda de las computadoras clásicas. Pero hay un lado oscuro: una computadora cuántica resuelve el problema de factorización mucho mejor que una clásica. La complejidad de esta tarea, como saben, es una de las bases para garantizar la persistencia de algoritmos comunes de criptografía de clave pública. El problema de factorización es extremadamente difícil para una computadora clásica, y en una cuántica puede resolverse efectivamente usando el algoritmo Shore. Por ejemplo, romper una clave RSA de 1024 bits requerirá millones de años de computación continua en computadoras clásicas, mientras que en una computadora cuántica esta tarea se completará en 10 horas (suponiendo que cada operación cuántica sea de 10 ns y que una computadora esté disponible de un número suficiente de qubits lógicos). Hasta ahora, las computadoras cuánticas no permiten que se piratee nada; después de todo, el criptoanálisis RSA requiere varios miles de qubits controlados. Y aunque todavía no existe una computadora potencialmente peligrosa, la comunidad ya está pensando en protegerla de posibles problemas en el futuro.
Una solución es el uso de la tecnología de distribución de claves cuánticas, que permite a dos partes intercambiar claves criptográficas por cifrado simétrico. Como saben, un solo fotón no puede separarse y un estado cuántico no puede copiarse; esta es una limitación fundamental de la mecánica cuántica. Sobre este principio, la protección de los datos transmitidos por leyes físicas fundamentales, se crean nuevos dispositivos. En esta área, China lidera la arena mundial. En Rusia, la tecnología de distribución de claves cuánticas está siendo desarrollada por varios grupos, por ejemplo, en el RCC, la Universidad Estatal de Moscú. M.V. Lomonosov y ITMO. El dispositivo desarrollado en el RCC ya ha sido probado en Sberbank y Gazprombank.
Por el nivel de errores en el canal, puede averiguar si la clave se vio comprometida. Si el nivel de error está por debajo del umbral crítico, puede corregir los errores y excluir la información potencialmente accesible para el atacante utilizando algoritmos clásicos y, por lo tanto, generar la clave secreta final. Al mismo tiempo, la información protegida permanece inaccesible para el atacante.
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