كيف يمكن للكمبيوتر الكمومي اقتحام أنظمة التشفير الحديثة وخفض تكلفة إنتاج الأمونيا؟

تثير مفارقات وألغاز الفيزياء الكمومية عقول العلماء لفترة طويلة. اليوم ، على أساس الخصائص غير العادية للجزيئات الكمومية ، يجري بناء أدوات وأجهزة جديدة يمكن أن تفوق في خصائصها نظائرها الكلاسيكية مرات عديدة.



تم إرسال قصة عن الأحداث في "صناعة الكم" إلى موظفي أكرونيس بواسطة أليكسي فيدوروف ، المدير العلمي لمجموعة تكنولوجيات المعلومات في مركز الكومنولث. في هذا المنشور ، نقدم نسخة من محاضرته حول تقنيات الكم مع إضافات لمشاركة بيانات مفيدة ومثيرة مع مشتركي أكرونيس على Habrahabr.

يتم تنفيذ مشاريع واسعة النطاق في الولايات المتحدة الأمريكية وأوروبا والصين وروسيا. الاهتمام الأكبر هو الكمبيوتر الكمومي - ليس فقط الجامعات تشارك في السباق من أجل بنائه ، ولكن أيضًا الشركات الكبيرة ، بما في ذلك Google و IBM و Microsoft و Intel. من المتوقع أن تحدث ثورة في أجهزة الكمبيوتر الكمومية بعدة طرق ، على سبيل المثال ، في حماية المعلومات والذكاء الاصطناعي ونمذجة المواد الجديدة.



في السياق الحديث ، تقنيات الكم هي طرق للتحكم في الأجسام الكمومية الفردية ، مثل الذرات والفوتونات والإلكترونات والأيونات وما إلى ذلك. على عكس النظم الكلاسيكية ، التي توجد دائمًا في إحدى الحالات المحتملة ، يمكن أن تكون الأنظمة الكمومية في حالة تراكب كمي: أن تكون متزامنة في جميع الحالات المقبولة. مثال على الفرق بين العالم الكلاسيكي والعالم الكمومي يمكن أن يكون عملة معدنية. يمكنك تحديد حالتين لعملة واحدة - نسر أو ذيول - وترميزها كـ 0 و 1. ثم يمكن أن تكون العملة الكلاسيكية إما في الحالة 0 أو في الولاية 1. اثنين من العملات - في واحدة من 4 حالات ممكنة في وقت واحد. أربع عملات معدنية في واحدة من 16 ولاية. عشرة عملات معدنية في واحدة من 1024 دولة.



يسمح مبدأ التراكب بأن "عملة كمّية" واحدة لا تكون فقط نسرًا أو ذيولًا فقط ، ولكن أيضًا تكون في عدد لا حصر له من الحالات "الوسيطة" بين النسر والذيل. سيكون أكثر دقة أن نقول أن عملة الكم يمكن أن تكون في حالة نسر وذيول في نفس الوقت. في هذه الحالة ، يبدو أن هناك بديلين يتعارضان من وجهة النظر الكلاسيكية (عملة تسقطها النسر وتُسقط عملة بقرميد) يتداخلان فيما بينهما داخل حالة كمومية واحدة. هذا ما يسميه العلماء بالتراكب الكمومي ، وحقيقة أن عقلنا ، الذي نشأ في العالم الكلاسيكي ، لا يستطيع حتى أن يتخيله - يمكنك التعود عليه فقط. علاوة على ذلك ، من أجل وصف مثل هذا التراكب الكمومي ، يلزم وجود رقمين معقدين يتوافقان مع كل من البدائل القابلة للتمييز الكلاسيكي. يمكن أن يكون هناك "عملتان كميتان" في تراكب من 4 حالات. و 10 "عملات الكم" في تراكب من 1024 دولة. وتسمى هذه "العملات الكمومية" qubits - نظائرها الكمومية من أجزاء المعلومات. لوصف نظام مكون من n qbits ، يلزم وجود أرقام معقدة 2 ^ n.

السمة الرئيسية للحوسبة الكمومية هي بالتحديد: مع زيادة عدد البتات ، فإن عدد المعلمات التي نعمل في الحسابات يزداد باطراد. إذا كان هناك حتى 50 بت ، فإن عدد الأعداد المركبة اللازمة لوصف حالتها - 2 ^ 50 - سيكون كبيرًا لدرجة أنه سيكون من المستحيل تصميم مثل هذا النظام بدقة حتى على أقوى كمبيوتر فائق. تمثل هذه العتبة أحد التفسيرات المحتملة للظاهرة المسماة تفوق الكم (التفوق الكمومي أو الميزة الكمومية): القدرة على استخدام الكمبيوتر الكمومي لحل تلك المهام غير القادرة على أجهزة الكمبيوتر التقليدية الموجودة.

السعي الكمي وسباق الكم

ومع ذلك ، فإن بناء مثل هذا الكمبيوتر ليس بالأمر السهل. للقيام بذلك ، تحتاج إلى حل "السعي" كله لإدارة المسألة الكمية. حاليا ، تقوم العديد من المختبرات في العالم بتطوير طرق جديدة لإدارة الأجسام الكمومية. يجري سباق كمي بين الشركات والمجتمع العلمي. المطورين الرائدين يقدمون المزيد والمزيد من الحلول الجديدة. لكن السباق الكمي ذو أهمية أساسية - إلى جانب عتبة التفوق الكمومي ، تنتظرنا اكتشافات جديدة في مجالات مختلفة تمامًا من الفيزياء: من فيزياء درجات الحرارة المنخفضة إلى فيزياء الطاقة العالية. بالإضافة إلى ذلك ، تتمتع أجهزة الكمبيوتر الكمومية أيضًا بإمكانيات كبيرة لحل المشكلات العملية ، وبالتالي ، فقد انضمت الشركات في تطويرها.

ما هو السعي لإدارة المواد الكمومية؟ من ناحية ، من الضروري وجود عدد كبير بما فيه الكفاية من وحدات البت لتوفير مساحة كبيرة من الحالات ، ولكن ، من ناحية أخرى ، من الضروري التحكم في كل وحدة فرعية بشكل فردي. من الواضح أنه كلما زاد حجم النظام ، زادت صعوبة إدارته على مستوى المكونات الفردية. هذا مهم بشكل خاص للفيزياء الكمومية ، ولكن إذا فكرت في الأمر ، فإنه ينطبق على مجالات أخرى من النشاط البشري. على سبيل المثال ، إذا كنت ترغب في إنشاء شركة ضخمة ورائعة ، فسيتعين عليك توظيف الكثير من الأشخاص الموهوبين. ولكن كلما زاد عدد هؤلاء الأشخاص ، زادت صعوبة تفاعلهم ، وصعوبة التحكم بهم :-)



في عالم الكم ، يعد تحقيق توازن بين الحجم وإمكانية التنبؤ هو التحدي الأكبر اليوم. ولكن بعد التغلب عليها ، سنكون قادرين على تطوير أجهزة كمبيوتر كمومية قوية يمكنها حل المشكلات المثيرة للاهتمام. على سبيل المثال ، يستخدم IBM مصطلح حجم الكم - وهذا هو عدد البتات لكل عدد الأخطاء في العملية. هذا مقياس واضح للغاية ، فهو يوضح أنه لا يكفي مجرد تحديد عدد البتات الموجودة في النظام ، كما أن درجة التحكم فيها مهمة أيضًا ، مما يساعد على تجنب الأخطاء. لنمو حجم الكم ، فإن نمو كل من الكمية و "نوعية" الببتيات ضروري.

يجب أن يؤخذ دائمًا في الاعتبار أن احتمال الأخطاء هو خاصية مكملة لـ "حديد" الكم. لذلك ، عند الحديث عن الكِبتات ، من الضروري الفصل بين الكبتات المادية والبتات المنطقية. البتات الفعلية هي ذرات حقيقية أو سلاسل فائقة التوصيل ، تُسمى العناصر "المختومة". البتات المنطقية هي تلك الكائنات التي يوجد بها تحكم حقيقي ، ويمكن الوصول إليها باستخدام معلمات ثابتة دون أخطاء. يتم تحديد القدرات الحاسوبية الكمومية في نهاية المطاف من خلال عدد البتات المنطقية التي لا تشوبها شائبة. فيما يتعلق بالحجم الكمومي ، يمكن فهم ذلك على النحو التالي: إذا كان مستوى الأخطاء صفراً ، فإن إمكانات حسابية أخرى (الحجم الكمي) تنمو بسبب زيادة عدد البتات المنطقية.

إذا تحدثنا عن التقدم المحرز في مجال أجهزة الكمبيوتر الكمومية العاملة ، فلا يسعنا إلا أن نذكر كمبيوتر IBM بسرعة 50 بت. أصبح واحدا من أجهزة الكمبيوتر الكم الأولى من هذا الحجم. "العمود الفقري" لشركة IBM لأجهزة الكمبيوتر الكمومية هو وحدات توصيل فائقة التوصيل ، والتي يجب تبريدها حتى درجات حرارة منخفضة للغاية لعملها. في IBM Quantum processor ، لا يتم تطبيق التحكم الفردي على كل qubit ومستوى الأخطاء مرتفع للغاية ، لكن الشريحة نفسها موجودة بالفعل. لدى IBM أيضًا أجهزة كمبيوتر كمومية مفتوحة بحجم 5 و 15 و 16 كيلوبايت يمكن للجميع استخدامها عبر الإنترنت. بالإضافة إلى ذلك ، في غضون بضع سنوات ، تخطط الشركة لإنشاء نظام 100 كيلوبت. في الآونة الأخيرة ، أعلنت شركة IBM عن الكمبيوتر الكمومي المتكامل IBM System One ، وهو جهاز كامل لا يتطلب ، وفقًا للمطورين ، أي شروط خاصة للعمل - وهذا يجعل هذا النظام أقرب إلى حد كبير من المستخدمين ، مع حل المهام المهمة والمطلوبة من الناحية العملية باستخدام مثل هذا الكمبيوتر حتى الآن من الصعب التحدث

إنتل على وشك تحقيق نفس الإنجاز وهو 50 كيلوبايت ، ولكنها تستخدم تقنية مختلفة لإنشاء البتات. وهذا أمر جيد ، لأنه إذا واجهت إحدى الشركات مشاكل في تنفيذ نهجها ، فستستمر الثانية في التقدم نحو التقدم.

رائد سباق الكم اليوم هو جوجل ، والتي أظهرت جهاز كمبيوتر الكم 72 بت. تقنية Google الأساسية هي نفس تقنية IBM - وحدات التوصيل فائقة التوصيل. نشرت مجموعة من العلماء والمطورين من Google أيضًا عددًا من المقالات العلمية التي تصف مناهج تحقيق التميز الكمي. لذلك في المستقبل القريب ، يُتوقع من الشركة إظهار التفوق الكمي بمساعدة معالج الكم المتطور.

تم إنشاء نظام من 51 qubits أيضًا في المجتمع الأكاديمي - كان ذلك ممكنًا لمجموعة ميخائيل لوكين (خريج فيزتيخ ورئيس المجلس الاستشاري الدولي لمركز الكم الروسي) استنادًا إلى ذرات محايدة فائقة الدقة ، بالإضافة إلى نظام مكون من 53 كيلوبايت من مجموعة كريستوفر مونرو من جامعة ماريلاند ، وهو مؤسس IonQ ، وهي شركة تقوم بتطوير جهاز كمبيوتر الكم التجاري على أساس أيونات. بالمناسبة ، ليس IonQ هو المثال الوحيد لبدء التشغيل في مجال الحوسبة الكمومية - يوجد الآن أكثر من عشرة منها.

من الواضح أن الصين لديها إمكانات كبيرة في مجال الكم. تحمل "السماوية" خططًا فخمة ، وتخطط لإنشاء أكبر كمبيوتر كمومي ، والمطورين لديهم بالفعل 12 مليار دولار لإنشاء هذا المختبر الوطني الكم.

وبصرف النظر إلى حد ما هي شركة مد الموجة. يحتوي المعالج D-Wave على آلاف البتات ، لكنهم يعملون في وضع مختلف - وضع الصلب الكمي. هذا يسمح لك بحل بمساعدة مثل هذا الكمبيوتر ، في الواقع ، مهمة واحدة فقط. على الرغم من حقيقة أن شركات مثل Google و Volkswagen تعمل بالفعل مع D-Wave ، إلا أن هناك مناقشات حامية حول مزايا مثل هذا الكم من أجهزة الكمبيوتر.

الجانب المطبق من القضية

على الرغم من كل الجهود المبذولة ، فإن أجهزة الكمبيوتر الكمومية لا تحل اليوم العديد من المشكلات العملية ، لكن الإمكانات تبدو مثيرة للإعجاب. الآن تطور الحوسبة الكمومية في اتجاهين:

• أجهزة الكمبيوتر الكمومية المتخصصة التي تهدف إلى حل مشكلة معينة محددة ، على سبيل المثال ، مشاكل التحسين. مثال على أحد المنتجات هو أجهزة الكمبيوتر الكمومية D-Wave.
• أجهزة الكمبيوتر الكمومية الشاملة - والتي هي قادرة على تنفيذ خوارزميات الكم التعسفي. اليوم ، لا يوجد سوى نماذج أولية صغيرة من أجهزة الكمبيوتر الكمومية - تعمل Google و IBM و Intel في هذا الاتجاه. إنهم يضعون الأساس ، ولكن حتى الآن لا يسمحون بعمل شيء واسع النطاق ولا يعرفون كيفية التعامل مع الأخطاء.
  

في أي حال ، تتيح أجهزة الكمبيوتر الكمومية العمل مع مساحة كبيرة من الحالات ، وقد يكون ذلك مفيدًا ، على سبيل المثال ، لحل مشكلات البحث ، وتحسين العمليات المختلفة ، ووضع نماذج للأنظمة المعقدة.

نظرًا لحقيقة أن IBM تقدم للجميع استخدام الكمبيوتر الكمومي ، فإن مبرمجي الكم الحديثين يتدربون بالفعل على تجميع المهام وتشغيلها على أجهزة كمبيوتر كمومية صغيرة. على سبيل المثال ، للبحث من خلال قاعدة بيانات غير مرتبة ، تتمتع خوارزمية الكم بميزة تربيعية. في مثل هذه المهمة ، يمكن تمثيل قاعدة بيانات غير مرتبة كنوع من "الصندوق الأسود" ، والتي يتم إرسال الطلبات إليها (عناوين العناصر في قاعدة البيانات هذه) ، ويجيب عليها الصندوق الأسود "نعم" أو "لا" (هو العنصر الموجود في عنوان معين ، متطلبات الطلب). تخيل أن عنوان كل عنصر في بعض قاعدة البيانات يتكون من n bits ، وفي قاعدة البيانات هذه هناك عنصر واحد فقط يفي بشروط معينة. للعثور على هذا العنصر ، في المتوسط ​​، نحتاج إلى حوالي 2 ^ n استعلامات (بشكل أكثر دقة ، 2 ^ (n-1)) ، لأن نظرًا لاضطراب قاعدة البيانات ، فإن كل ما تبقى لنا هو فرز جميع العناوين الممكنة (منها قطعتان ^ ^) بالتتابع حتى نكون محظوظين أخيرًا ونصل إلى العنصر الصحيح. إذا كان لدينا تناظر كمي لمثل هذا الصندوق الأسود (يطلق عليه أيضًا "أوراكل الكم") ، من أجل الحصول على إجابة نحتاج إلى حوالي 2 ^ (n / 2) من الطلبات. تكمن ميزة "خوارزمية التعداد الكمي" ، التي سميت باسم L. Grover ، في القدرة على طرح العديد من الأسئلة على مربع الكم في نفس الوقت - لتكوين تراكب من الاستعلامات.

من المهم الإشارة إلى أن مهمة البحث في قاعدة بيانات غير مرتبة تعتبر عالمية بطبيعتها - أي مهمة أخرى تقريبًا (بما في ذلك NP-Complete) يمكن تخفيضها إليها. ومع ذلك ، لحلها ، سوف تحتاج إلى زيادة عدد الاستعلامات بشكل كبير مع تعقيد المهمة (في المثال المعتبر ، المعلمة n المقابلة لها). وبالتالي ، يجب ألا تتعامل مع الكمبيوتر الكمومي كأداة كلية قادرة على حل المشكلات الحسابية التعسفية مع التسارع الأسي. في بعض الحالات ، ستكون قدراته أكثر تواضعا.

ومع ذلك ، هناك إمكانات كبيرة واضحة بالفعل اليوم لمشاكل في مجال كيمياء الكم. على سبيل المثال ، في الصناعة ، هناك حاجة إلى حساب معلمات المركبات الكيميائية ونمذجة التفاعلات الكيميائية. عند استخدام أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية ، فإننا نفتقر إلى الإمكانيات ونضطر غالبًا للتنازل بدقة. يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية أن تساعد في تحديد سلاسل ردود الفعل التفصيلية وديناميكيات العمليات والعثور على محفزات للتفاعلات المرغوبة - كل هذا مفيد للغاية! واحدة من أكثر المشاكل التي نوقشت اليوم هو إنتاج الأمونيا. يستخدم هذا المركب بنشاط في الأسمدة للنباتات ، ويتم إنفاق 1-2 ٪ من إجمالي الطاقة على الأرض في إنتاجه (بيانات من تقرير الحوسبة الكمومية و BP). إذا كان من الممكن ، بمساعدة الكمبيوتر الكمومي ، تحسين عملية إنتاج الأمونيا نظرًا للمعرفة الدقيقة لجميع المعلمات ، فعندئذ سيكون قد سدد بالفعل جميع الاستثمارات التي تمت في تطوير التقنيات (تذكر ، 1-2٪ من الطاقة العالمية).

في الآونة الأخيرة ، عند تقاطع فيزياء الكم والتعلم الآلي ، ظهر اتجاه جديد - تعلم الآلة الكمومية أو ، كما يقولون كثيرًا ، الذكاء الاصطناعى الكم. من المهم ألا يتطلب تفوق الكمبيوتر الكمومي على الكمبيوترات الكلاسيكية في مشاكل التعلم الآلي وجود كمبيوتر كمومي كامل ومتعدد البؤر. باستخدام الكمبيوتر الكم ، على سبيل المثال ، سيكون من الممكن تسريع العناصر الفردية من خوارزميات التعلم الآلي ، وكذلك تسريع عملية التعلم منها. في Google في السنوات الأخيرة ، يعتبر تعلم الآلة الكمومية أحد أهم المجالات في مجال تكنولوجيا الكم بأكملها.

ليس فقط عن الأجهزة

ومع ذلك ، بالنسبة للاختراق التالي ، ليس هناك حاجة إلى الحديد فحسب ، ولكن أيضًا إلى خوارزميات كمية سريعة جديدة. هناك تقدم ملحوظ. على سبيل المثال ، لدراسة مركب Fe2S2 باستخدام خوارزميات كيمياء الكم ، استغرق الأمر ثلاثين عامًا عند تحليله على كمبيوتر الكم. من خلال البحث عن خوارزمية أكثر مثالية ، تم تخفيض هذه المرة إلى دقيقتين ، مع الأخذ في الاعتبار استخدام نفس الحديد.

ومع ذلك ، لا تزال الخوارزميات الكمية غير كافية. في حين لا يزال هناك بضع عشرات فقط ، وللتطوير الكامل لحقل الحوسبة الكمومية ، يجب أن يكون هناك المزيد من الخوارزميات.

مخاوف وتقنيات أمن المعلومات

الكمبيوتر الكمومي له وجهان: الظلام والضوء. لقد تحدثنا حتى الآن عن الجانب المشرق - وهو حل المهام المطلوبة عمليًا والتي لا يمكن حلها بمساعدة أجهزة الكمبيوتر التقليدية. ولكن هناك جانب مظلم: الكمبيوتر الكمومي يحل مشكلة التعمير أفضل بكثير من المشكلة الكلاسيكية. إن تعقيد هذه المهمة ، كما تعلم ، هو أحد الأسس لضمان استمرار خوارزميات تشفير المفتاح العام الشائعة. مشكلة التوصيف صعبة للغاية بالنسبة للحاسوب الكلاسيكي ، ويمكن حلها على نحو فعال باستخدام خوارزمية Shore بشكل فعال. على سبيل المثال ، سيستغرق كسر مفتاح RSA 1024 بت ملايين السنين من الحوسبة المستمرة على أجهزة الكمبيوتر التقليدية ، بينما سيتم حل هذه المشكلة على جهاز كمبيوتر الكم في 10 ساعات (على افتراض أن كل عملية تشغيلية هي 10 ثوانٍ وأن الكمبيوتر متاح من عدد كاف من البتات المنطقية). حتى الآن ، لا تسمح أجهزة الكمبيوتر الكمومية باختراق أي شيء - بعد كل شيء ، يتطلب تحليل تشفير RSA عدة آلاف من وحدات البايت المتحكم فيها. وعلى الرغم من عدم وجود جهاز كمبيوتر يحتمل أن يكون خطيرًا ، إلا أن المجتمع يفكر بالفعل في حمايته من المشاكل المحتملة في المستقبل.

أحد الحلول هو استخدام تقنية توزيع المفاتيح الكمومية ، والتي تسمح للطرفين بتبادل مفاتيح التشفير من أجل التشفير المتماثل. كما تعلمون ، لا يمكن فصل فوتون واحد ، ولا يمكن نسخ الحالة الكمية - وهذا هو الحد الأساسي لميكانيكا الكم. بناءً على هذا المبدأ - حماية البيانات المرسلة بواسطة القوانين الفيزيائية الأساسية - يتم إنشاء أجهزة جديدة. في هذا المجال ، تقود الصين الساحة العالمية. في روسيا ، يتم تطوير تكنولوجيا توزيع المفاتيح الكمومية بواسطة مجموعات متعددة ، على سبيل المثال ، في مركز RCC بجامعة موسكو الحكومية MV لومونوسوف و ITMO. تم اختبار الجهاز الذي تم تطويره في مركز RCC بالفعل في Sberbank و Gazprombank.

حسب مستوى الأخطاء في القناة ، يمكنك معرفة ما إذا كان المفتاح قد تم اختراقه أم لا. إذا كان مستوى الخطأ أقل من الحد الحرج ، فيمكنك تصحيح الأخطاء واستبعاد المعلومات التي يحتمل أن يصل إليها المهاجم باستخدام الخوارزميات الكلاسيكية ، وبالتالي ، إنشاء المفتاح السري النهائي. في الوقت نفسه ، تظل المعلومات المحمية غير قابلة للوصول للمهاجم.

, - — . , .

— . , , , .

, . , . , . .

, . , , — . - — .