Die Paradoxien und Geheimnisse der Quantenphysik erregen den Geist von Wissenschaftlern seit langem. Aufgrund der ungewöhnlichen Eigenschaften von Quantenteilchen werden heute neue Instrumente und Geräte gebaut, deren Eigenschaften den klassischen Analoga um ein Vielfaches überlegen sind.
Die Geschichte über die Ereignisse in der „Quantenindustrie“ wurde von Alexey Fedorov, wissenschaftlicher Direktor der Quantum Information Technologies Group am RCC, an die Mitarbeiter von Acronis gerichtet. In diesem Beitrag stellen wir eine Abschrift seines Vortrags über Quantentechnologien mit Ergänzungen zur Verfügung, um nützliche und interessante Daten mit Acronis-Abonnenten auf Habrahabr zu teilen.
In den USA, Europa, China und Russland werden Großprojekte durchgeführt. Das größte Interesse gilt einem Quantencomputer - nicht nur Universitäten sind am Wettlauf um seinen Bau beteiligt, sondern auch große Unternehmen wie Google, IBM, Microsoft und Intel. Es wird vorausgesagt, dass Quantencomputer auf verschiedene Weise revolutionieren können, beispielsweise beim Schutz von Informationen, künstlicher Intelligenz und der Modellierung neuer Materialien.
Im modernen Kontext sind Quantentechnologien Methoden zur Steuerung einzelner Quantenobjekte wie Atome, Photonen, Elektronen, Ionen usw. Im Gegensatz zu klassischen Systemen, die sich immer in einem der möglichen Zustände befinden, können sich Quantensysteme in einem Zustand der Quantenüberlagerung befinden: gleichzeitig in allen zulässigen Zuständen. Ein Beispiel für den Unterschied zwischen der klassischen Welt und der Quantenwelt kann eine Münze sein. Eine Münze kann zwei Zustände definieren - einen Adler oder Schwänze - und sie als 0 und 1 codieren. Dann kann sich eine klassische Münze entweder im Zustand 0 oder im Zustand 1 befinden. Zwei Münzen - in einem von 4 möglichen Zuständen gleichzeitig. Vier Münzen befinden sich in einem von 16 Staaten. Zehn Münzen befinden sich in einem von 1024 Staaten.
Das Prinzip der Überlagerung erlaubt es einer „Quantenmünze“, nicht nur streng ein Adler oder ein Schwanz zu sein, sondern sich auch in einem von unendlich vielen „Zwischenzuständen“ zwischen dem Adler und dem Schwanz zu befinden. Es ist genauer zu sagen, dass sich eine Quantenmünze gleichzeitig in einem Adler- und Schwanzzustand befinden kann. In diesem Fall scheinen sich zwei aus klassischer Sicht nicht kompatible Alternativen (eine von einem Adler fallengelassene Münze und eine von einer Kachel fallengelassene Münze) innerhalb eines einzelnen Quantenzustands zu überlappen. Das nennen Wissenschaftler Quantenüberlagerung, und die Tatsache, dass sich unser Gehirn, das in der klassischen Welt aufgewachsen ist, nicht einmal vorstellen kann - daran kann man sich nur gewöhnen. Um eine solche Quantenüberlagerung vollständig zu beschreiben, sind außerdem zwei komplexe Zahlen erforderlich, die jeder der klassisch unterscheidbaren Alternativen entsprechen. Zwei "Quantenmünzen" können sich in einer Überlagerung von 4 Zuständen befinden. Und 10 "Quantenmünzen" befinden sich in einer Überlagerung von 1024 Zuständen. Solche "Quantenmünzen" werden Qubits genannt - Quantenanaloga von Informationsbits. Um ein System von n Qubits zu beschreiben, sind 2 ^ n komplexe Zahlen erforderlich.
Das Hauptmerkmal des Quantencomputers ist genau dies: Mit zunehmender Anzahl von Qubits wächst die Anzahl der Parameter, die wir in den Berechnungen verwenden, exponentiell. Wenn es sogar 50 Qubits gibt, ist die Anzahl der komplexen Zahlen, die zur Beschreibung ihres Zustands erforderlich sind - 2 ^ 50 - so groß, dass es unmöglich ist, ein solches System selbst auf dem leistungsstärksten Supercomputer genau zu modellieren. Eine solche Schwelle ist eine der möglichen Erklärungen für das Phänomen der Quantenüberlegenheit (Quantenüberlegenheit oder Quantenvorteil): die Fähigkeit, einen Quantencomputer zur Lösung von Problemen zu verwenden, die mit vorhandenen klassischen Computern nicht möglich sind.
Quantenquest und QuantenrennenDer Bau eines solchen Computers ist jedoch nicht einfach. Dazu müssen Sie eine ganze „Suche“ nach dem Management von Quantenmaterie lösen. Derzeit entwickeln viele Labors auf der Welt neue Methoden zur Verwaltung von Quantenobjekten. Ein Quantenrennen findet sowohl zwischen Unternehmen als auch in der wissenschaftlichen Gemeinschaft statt. Führende Entwickler führen immer mehr neue Lösungen ein. Die Quantenrasse ist jedoch von grundlegender Bedeutung - jenseits der Schwelle der Quantenüberlegenheit erwarten uns neue Entdeckungen in völlig anderen Bereichen der Physik: von der Niedertemperaturphysik bis zur Hochenergiephysik. Darüber hinaus haben Quantencomputer auch ein großes Potenzial zur Lösung praktischer Probleme, weshalb sich Unternehmen an ihrer Entwicklung beteiligt haben.
Was ist die Suche nach dem Management von Quantenmaterie? Einerseits ist es notwendig, eine ausreichend große Anzahl von Qubits zu haben, um einen großen Zustandsraum bereitzustellen, andererseits ist es notwendig, jedes Qubit einzeln zu steuern. Es ist klar, dass je größer das System ist, desto schwieriger ist es, auf der Ebene der einzelnen Komponenten zu verwalten. Dies ist besonders wichtig für die Quantenphysik, aber wenn Sie darüber nachdenken, gilt dies auch für andere Bereiche menschlicher Aktivität. Wenn Sie beispielsweise ein großes und cooles Unternehmen gründen möchten, müssen Sie viele talentierte Leute einstellen. Aber je mehr diese Leute sind, desto schwieriger werden ihre Interaktionen und desto schwieriger wird es, sie zu kontrollieren :-)
In der Quantenwelt ist es heute die größte Herausforderung, ein Gleichgewicht zwischen Skalierbarkeit und Vorhersagbarkeit zu finden. Aber wenn wir es überwunden haben, werden wir in der Lage sein, leistungsfähige Quantencomputer zu entwickeln, die interessante Probleme lösen können. Beispielsweise verwendet IBM den Begriff Quantenvolumen - dies ist die Anzahl der Qubits pro Anzahl der Fehler in der Operation. Dies ist eine sehr offensichtliche Maßnahme. Sie zeigt, dass es nicht ausreicht, nur zu sagen, wie viele Qubits sich im System befinden. Der Grad der Kontrolle über sie ist ebenfalls wichtig, um Fehler zu vermeiden. Für das Wachstum des Quantenvolumens ist das Wachstum sowohl der Quantität als auch der „Qualität“ von Qubits notwendig.
Es sollte immer berücksichtigt werden, dass die Fehlerwahrscheinlichkeit eine integrale Eigenschaft des Quanten-Eisens ist. Wenn man von Qubits spricht, ist es daher notwendig, physische Qubits und logische Qubits zu trennen. Physikalische Qubits sind reale Atome oder supraleitende Ketten, sogenannte "gestempelte" Elemente. Logische Qubits sind Objekte, über die eine echte Kontrolle besteht, und auf die mit festen Parametern ohne Fehler zugegriffen werden kann. Die Rechenfähigkeiten eines Quantencomputers werden letztendlich durch die Anzahl der fehlerhaften logischen Qubits bestimmt. In Bezug auf das Quantenvolumen kann dies wie folgt verstanden werden: Wenn das Fehlerniveau Null ist, erhöhen sich die Rechenfähigkeiten (Quantenvolumen) aufgrund einer Zunahme der Anzahl logischer Qubits.
Wenn wir über Fortschritte auf dem Gebiet der Arbeit mit Quantencomputern sprechen, können wir den IBM-Computer nur mit 50 Qubits erwähnen. Er wurde einer der ersten Quantencomputer dieser Größenordnung. IBMs „Arbeitspferd“ für Quantencomputer sind supraleitende Qubits, die für ihre Arbeit auf sehr niedrige Temperaturen abgekühlt werden müssen. Im IBM Quantenprozessor ist keine individuelle Steuerung über jedes Qubit implementiert und die Fehlerquote ist recht hoch, aber der Chip selbst existiert bereits. IBM verfügt außerdem über offene 5-Qubit- und 16-Qubit-Quantencomputer, die jeder über das Internet nutzen kann. Darüber hinaus plant das Unternehmen in einigen Jahren die Herstellung eines 100-Qubit-Systems. Vor kurzem hat IBM den integrierten Quantencomputer IBM System One angekündigt, bei dem es sich um ein komplettes Gerät handelt, für das nach Angaben der Entwickler keine besonderen Arbeitsbedingungen erforderlich sind. Dies bringt ein solches System den Benutzern jedoch erheblich näher und löst praktisch wichtige und geforderte Aufgaben mit einem solchen Computer es ist schwer zu reden
Intel steht kurz vor dem gleichen Meilenstein von 50 Qubits, verwendet jedoch eine andere Technologie, um Qubits zu erstellen. Und das ist gut so, denn wenn eines der Unternehmen auf Probleme bei der Umsetzung seines Ansatzes stößt, wird sich das zweite Unternehmen weiter in Richtung Fortschritt bewegen.
Der Anführer des heutigen Quantenrennens ist Google, das einen 72-Qubit-Quantencomputer demonstrierte. Die Kerntechnologie von Google ist die gleiche wie die von IBM - supraleitende Qubits. Eine Gruppe von Wissenschaftlern und Entwicklern von Google hat außerdem eine Reihe wissenschaftlicher Artikel veröffentlicht, in denen Ansätze zur Erreichung von Quantenexzellenz beschrieben werden. Es ist daher zu erwarten, dass das Unternehmen in naher Zukunft mithilfe seines entwickelten Quantenprozessors eine Quantenüberlegenheit demonstrieren wird.
Auch in der akademischen Gemeinschaft wurde ein System von 51 Qubits geschaffen - dies war für die Gruppe von Mikhail Lukin (Absolvent von Fiztekh und Leiter des Internationalen Beirats des russischen Quantenzentrums) möglich, die auf ultrakalten neutralen Atomen basierte, sowie für ein System von 53 Qubits aus der Gruppe von Christopher Monroe von der University of Maryland, die ebenfalls Er ist der Gründer von IonQ, einem Unternehmen, das einen kommerziellen Quantencomputer auf der Basis von Ionen entwickelt. IonQ ist übrigens nicht das einzige Beispiel für ein Startup im Bereich Quantencomputer - mittlerweile gibt es mehr als ein Dutzend davon.
Offensichtlich hat China ein großes Potenzial im Quantenbereich. "Celestial" führt großartige Pläne durch und plant den Bau des größten Quantencomputers. Die Entwickler haben bereits 12 Milliarden US-Dollar für die Einrichtung des Nationalen Quantenlabors.
Etwas anders ist die Firma D-Wave. Der D-Wave-Prozessor verfügt über Tausende von Qubits, arbeitet jedoch in einem anderen Modus - dem Quantenglühmodus. Dies ermöglicht es Ihnen, mit Hilfe eines solchen Computers tatsächlich nur eine Aufgabe zu lösen. Trotz der Tatsache, dass Unternehmen wie Google und Volkswagen bereits mit D-Wave arbeiten, gibt es heftige Debatten über die Vorteile eines solchen Quantencomputers.
Angewandte Seite des Problems
Trotz aller Bemühungen lösen Quantencomputer heutzutage nicht viele praktische Probleme, aber das Potenzial sieht beeindruckend aus. Jetzt geht die Entwicklung des Quantencomputers in zwei Richtungen:
- Spezialisierte Quantencomputer, die darauf abzielen, ein bestimmtes spezifisches Problem zu lösen, beispielsweise Optimierungsprobleme. Ein Beispiel für ein Produkt sind D-Wave-Quantencomputer.
- Universelle Quantencomputer - die beliebige Quantenalgorithmen implementieren können. Heute gibt es nur noch kleine Prototypen universeller Quantencomputer - Google, IBM und Intel arbeiten in diese Richtung. Sie legen den Grundstein, erlauben aber bisher nichts Großes und wissen nicht, wie man mit Fehlern umgeht.
In jedem Fall ermöglichen Quantencomputer den Betrieb mit einem großen Zustandsraum. Dies kann beispielsweise nützlich sein, um Suchprobleme zu lösen, verschiedene Prozesse zu optimieren und komplexe Systeme zu modellieren.
Aufgrund der Tatsache, dass IBM jedem die Verwendung eines Quantencomputers anbietet, werden moderne Quantenprogrammierer bereits darin geschult, Aufgaben zusammenzusetzen und auf kleinen Quantencomputern auszuführen. Um beispielsweise eine ungeordnete Datenbank zu durchsuchen, hat der Quantenalgorithmus einen quadratischen Vorteil. In einer solchen Aufgabe kann eine ungeordnete Datenbank als eine Art „Black Box“ dargestellt werden, an die Anforderungen gesendet werden (Adressen von Elementen in dieser Datenbank), und eine Black Box beantwortet sie mit „Ja“ oder „Nein“ (befindet sich das Element unter angegebene Adresse, Anforderungsanforderungen). Stellen Sie sich vor, in einer Datenbank besteht die Adresse jedes Elements aus n Bits, und in dieser Datenbank gibt es nur ein Element, das bestimmte Bedingungen erfüllt. Um dieses Element zu finden, benötigen wir im Durchschnitt etwa 2 ^ n Abfragen (genauer 2 ^ (n-1)), weil Aufgrund der Unordnung der Datenbank müssen wir nur noch alle möglichen Adressen (davon 2 ^ n Stück) nacheinander sortieren, bis wir endlich Glück haben und zum richtigen Element gelangen. Wenn wir ein Quantenanalogon einer solchen Black Box haben (es wird auch als "Quantenorakel" bezeichnet), benötigen wir ungefähr 2 ^ (n / 2) Anfragen, um eine Antwort zu erhalten. Der Vorteil des nach L. Grover benannten "Quantenaufzählungsalgorithmus" liegt in der Fähigkeit, viele Fragen gleichzeitig an die Quantenbox zu stellen - um eine Überlagerung von Abfragen zu bilden.
Es ist wichtig zu beachten, dass die Suchaufgabe in einer ungeordneten Datenbank universeller Natur ist - fast jede andere Aufgabe (einschließlich NP-vollständig) kann darauf reduziert werden. Um dies zu lösen, muss die Anzahl der Abfragen jedoch exponentiell mit der Komplexität der Aufgabe zunehmen (im betrachteten Beispiel entsprach der Parameter n dieser Aufgabe). Daher sollten Sie einen Quantencomputer nicht als allmächtiges Werkzeug behandeln, mit dem beliebige Rechenprobleme mit exponentieller Beschleunigung gelöst werden können. In einigen Fällen sind seine Fähigkeiten viel bescheidener.
Dennoch ist bereits heute ein großes Potenzial für Probleme auf dem Gebiet der Quantenchemie erkennbar. In der Industrie ist beispielsweise die Berechnung der Parameter chemischer Verbindungen und die Modellierung chemischer Reaktionen gefragt. Bei der Verwendung klassischer Computer fehlen uns die Funktionen und wir müssen häufig Kompromisse bei der Genauigkeit eingehen. Quantencomputer können helfen, Reaktionsketten und Prozessdynamiken im Detail zu bestimmen und Katalysatoren für die gewünschten Reaktionen zu finden - all dies ist sehr nützlich! Eines der am meisten diskutierten Probleme ist heute die Produktion von Ammoniak. Diese Verbindung wird aktiv in Düngemitteln für Pflanzen verwendet, und 1-2% der gesamten Energie auf der Erde wird für ihre Produktion aufgewendet (Daten aus dem Quantum Computing Report und BP). Wenn es mit Hilfe eines Quantencomputers möglich wäre, den Prozess der Ammoniakproduktion aufgrund der genauen Kenntnis aller Parameter zu optimieren, würde dies bereits alle Investitionen in die Entwicklung von Technologien zurückzahlen (denken Sie daran, 1-2% der Weltenergie).
In jüngster Zeit hat sich an der Schnittstelle von Quantenphysik und maschinellem Lernen eine neue Richtung herausgebildet - quantenmaschinelles Lernen oder, wie oft gesagt wird, Quanten-KI. Es ist wichtig, dass die Überlegenheit eines Quantencomputers gegenüber klassischen Computern bei maschinellen Lernproblemen keinen vollwertigen Quantencomputer mit mehreren Qubits erfordert. Mit einem Quantencomputer wird es beispielsweise möglich sein, einzelne Elemente von Algorithmen für maschinelles Lernen zu beschleunigen und den Lernprozess zu beschleunigen. In den letzten Jahren gilt das quantenmaschinelle Lernen bei Google als einer der Top-Bereiche im gesamten Bereich der Quantentechnologie.
Es geht nicht nur um Hardware
Für den nächsten Durchbruch wird jedoch nicht nur Eisen benötigt, sondern auch neue schnelle Quantenalgorithmen. Es gibt spürbare Fortschritte. Um beispielsweise die Fe2S2-Verbindung mit quantenchemischen Algorithmen zu untersuchen, dauerte es 30 Jahre früher, als sie auf einem Quantencomputer analysiert wurde. Durch die Suche nach einem optimaleren Algorithmus wurde diese Zeit unter Berücksichtigung der Verwendung des gleichen Eisens auf 2 Minuten reduziert.
Quantenalgorithmen reichen jedoch immer noch nicht aus. Zwar gibt es nur noch wenige Dutzend, und für die vollständige Entwicklung des Bereichs des Quantencomputers sollten viel mehr Algorithmen vorhanden sein.
Ängste und Technologien der Informationssicherheit
Ein Quantencomputer hat zwei Seiten: dunkel und hell. Bisher haben wir über die gute Seite gesprochen - das Lösen praktisch geforderter Aufgaben, die mit Hilfe klassischer Computer nicht gelöst werden können. Aber es gibt eine dunkle Seite: Ein Quantencomputer löst das Faktorisierungsproblem viel besser als ein klassischer. Wie Sie wissen, ist die Komplexität dieser Aufgabe eine der Grundlagen, um die Persistenz gängiger Kryptografiealgorithmen mit öffentlichem Schlüssel sicherzustellen. Das Faktorisierungsproblem ist für einen klassischen Computer äußerst schwierig und kann auf einem Quantencomputer mithilfe des Shore-Algorithmus effektiv gelöst werden. Das Brechen eines 1024-Bit-RSA-Schlüssels erfordert beispielsweise Millionen von Jahren kontinuierliches Rechnen auf klassischen Computern, während diese Aufgabe auf einem Quantencomputer in 10 Stunden abgeschlossen ist (vorausgesetzt, jede Quantenoperation beträgt 10 ns und ein Computer ist verfügbar von einer ausreichenden Anzahl logischer Qubits). Bisher erlauben Quantencomputer nicht, dass etwas gehackt wird - schließlich erfordert die RSA-Kryptoanalyse mehrere tausend kontrollierte Qubits. Und obwohl es einen potenziell gefährlichen Computer noch nicht gibt, denkt die Community bereits darüber nach, ihn in Zukunft vor möglichen Problemen zu schützen.
Eine Lösung ist die Verwendung der Quantenschlüsselverteilungstechnologie, mit der zwei Parteien kryptografische Schlüssel gegen symmetrische Verschlüsselung austauschen können. Wie Sie wissen, kann ein einzelnes Photon nicht getrennt und ein Quantenzustand nicht kopiert werden - dies ist eine grundlegende Einschränkung der Quantenmechanik. Nach diesem Prinzip - dem Schutz übertragener Daten durch grundlegende physikalische Gesetze - werden neue Geräte gebaut. In diesem Bereich ist China weltweit führend. In Russland wird die Technologie der Quantenschlüsselverteilung von mehreren Gruppen entwickelt, beispielsweise im RCC der Moskauer Staatlichen Universität M.V. Lomonosov und ITMO. Das am RCC entwickelte Gerät wurde bereits bei Sberbank und Gazprombank getestet.
Anhand der Fehlerstufe im Kanal können Sie feststellen, ob der Schlüssel kompromittiert wurde. Wenn die Fehlerstufe unter dem kritischen Schwellenwert liegt, können Sie die Fehler beheben und Informationen ausschließen, auf die der Angreifer mithilfe klassischer Algorithmen möglicherweise zugreifen kann, und so den endgültigen geheimen Schlüssel generieren. Gleichzeitig bleiben die geschützten Informationen für den Angreifer unzugänglich.
, - — . , .
— . , , , .
, . , . , . .
, . , , — . - — .