Os paradoxos e mistérios da física quântica excitam as mentes dos cientistas por um longo tempo. Hoje, com base nas propriedades incomuns das partículas quânticas, estão sendo construídos novos instrumentos e dispositivos que podem ser muitas vezes superiores em suas características aos análogos clássicos.
Uma história sobre os eventos na “Indústria Quantum” foi endereçada aos funcionários da Acronis por Alexey Fedorov, Diretor Científico do Quantum Information Technologies Group no RCC. Neste post, fornecemos uma transcrição de sua palestra sobre tecnologias quânticas com adições para compartilhar dados úteis e interessantes com os assinantes da Acronis no Habrahabr.
Projetos de larga escala estão sendo implementados nos EUA, Europa, China e Rússia. O maior interesse é um computador quântico - não apenas as universidades estão envolvidas na corrida por sua construção, mas também grandes corporações, incluindo Google, IBM, Microsoft e Intel. Prevê-se que os computadores quânticos possam revolucionar de várias maneiras, por exemplo, na proteção de informações, inteligência artificial e modelagem de novos materiais.
No contexto moderno, as tecnologias quânticas são métodos de controle de objetos quânticos individuais, como átomos, fótons, elétrons, íons e assim por diante. Ao contrário dos sistemas clássicos, que estão sempre em um dos estados possíveis, os sistemas quânticos podem estar em um estado de superposição quântica: estar simultaneamente em todos os estados admissíveis. Um exemplo da diferença entre o mundo clássico e o quântico pode ser uma moeda. Você pode definir dois estados para uma moeda - uma águia ou uma coroa - e codificá-los como 0 e 1. Em seguida, uma moeda clássica pode estar no estado 0 ou no estado 1. Duas moedas - em um dos quatro estados possíveis ao mesmo tempo. Quatro moedas estão em um dos 16 estados. Dez moedas estão em um dos 1024 estados.
O princípio da superposição permite que uma “moeda quântica” seja não apenas estritamente uma águia ou coroa, mas também esteja em um número infinito de estados “intermediários” entre a águia e a coroa. Será mais preciso dizer que uma moeda quântica pode estar em um estado de águia e coroa ao mesmo tempo. Nesse caso, duas alternativas incompatíveis do ponto de vista clássico (uma moeda derrubada por uma águia e uma moeda derrubada por um ladrilho) parecem se sobrepor dentro de um único estado quântico. Isso é o que os cientistas chamam de superposição quântica e o fato de que nosso cérebro, que cresceu no mundo clássico, nem é capaz de imaginar - você só pode se acostumar com isso. Além disso, para descrever completamente essa superposição quântica, são necessários dois números complexos correspondentes a cada uma das alternativas classicamente distinguíveis. Duas "moedas quânticas" podem estar em uma superposição de 4 estados. E 10 "moedas quânticas" estão em uma superposição de 1024 estados. Essas "moedas quânticas" são chamadas qubits - análogos quânticos de bits de informação. Para descrever um sistema de n qubits, são necessários 2 ^ n números complexos.
A principal característica da computação quântica é precisamente esta: com um aumento no número de qubits, o número de parâmetros que operamos nos cálculos cresce exponencialmente. Se houver até 50 qubits, o número de números complexos necessários para descrever seu estado - 2 ^ 50 - será tão grande que será impossível modelar com precisão esse sistema, mesmo no supercomputador mais poderoso. Esse limiar é uma das explicações possíveis para o fenômeno chamado supremacia quântica (supremacia quântica ou vantagem quântica): a capacidade de usar um computador quântico para resolver tarefas que não são capazes de computadores clássicos existentes.
Missão quântica e corrida quânticaNo entanto, construir um computador assim não é fácil. Para fazer isso, você precisa resolver uma "busca" inteira para gerenciar a matéria quântica. Atualmente, muitos laboratórios no mundo estão desenvolvendo novos métodos para gerenciar objetos quânticos. Uma corrida quântica está ocorrendo tanto entre corporações quanto na comunidade científica. Os principais desenvolvedores estão introduzindo cada vez mais novas soluções. Mas a corrida quântica é de fundamental importância - além do limiar da supremacia quântica, novas descobertas nos aguardam em campos completamente diferentes da física: da física de baixa temperatura à física de alta energia. Além disso, os computadores quânticos também têm um grande potencial para resolver problemas práticos, portanto, as empresas aderiram ao seu desenvolvimento.
Qual é a busca pelo gerenciamento da matéria quântica? Por um lado, é necessário ter um número suficientemente grande de qubits para fornecer um grande espaço de estados, mas, por outro lado, é necessário controlar cada qubit individualmente. É claro que quanto maior o sistema, mais difícil é gerenciar no nível de componentes individuais individuais. Isso é especialmente importante para a física quântica, mas, se você pensar sobre isso, aplica-se a outras áreas da atividade humana. Por exemplo, se você deseja criar uma empresa grande e legal, terá que contratar muitas pessoas talentosas. Mas quanto mais essas pessoas são, mais difíceis serão as interações e mais difícil será controlá-las :-)
No mundo quântico, encontrar um equilíbrio entre escala e previsibilidade é o maior desafio hoje. Mas, superando isso, seremos capazes de desenvolver computadores quânticos poderosos que podem resolver problemas interessantes. Por exemplo, a IBM usa o termo volume quântico - este é o número de qubits por número de erros na operação. Essa é uma medida muito óbvia, mostra que não basta dizer quantos qubits existem no sistema, o grau de controle sobre eles também é importante, o que ajuda a evitar erros. Para o crescimento do volume quântico, é necessário o crescimento da quantidade e da "qualidade" dos qubits.
Sempre deve-se ter em mente que a probabilidade de erros é uma propriedade integral do “ferro” quântico. Portanto, falando de qubits, é necessário separar qubits físicos e lógicos. Os qubits físicos são átomos reais ou cadeias supercondutoras, os chamados elementos "estampados". Qubits lógicos são aqueles objetos sobre os quais há controle real e podem ser acessados com parâmetros fixos sem erros. As capacidades computacionais de um computador quântico são finalmente determinadas pelo número de qubits lógicos que funcionam perfeitamente. Em termos de volume quântico, isso pode ser entendido da seguinte forma: se o nível de erros for zero, as capacidades computacionais (volume quântico) aumentam devido a um aumento no número de qubits lógicos.
Se falamos de avanços no campo do trabalho de computadores quânticos, não podemos deixar de mencionar o computador IBM a 50 qubits. Ele se tornou um dos primeiros computadores quânticos dessa magnitude. O "cavalo de batalha" da IBM em computadores quânticos é supercondutor de qubits, que devem ser resfriados a temperaturas muito baixas para seu trabalho. No processador quântico da IBM, o controle individual sobre cada qubit não é implementado e o nível de erros é bastante alto, mas o próprio chip já existe. A IBM também possui computadores quânticos abertos de 5 e 16 bits que todos podem usar pela Internet. Além disso, em alguns anos, a corporação planeja criar um sistema de 100 qubit. Recentemente, a IBM anunciou o computador quântico integrado IBM System One, que é um dispositivo completo que não exige, de acordo com os desenvolvedores, condições especiais para o trabalho - isso aproxima significativamente esse sistema dos usuários, enquanto soluciona tarefas praticamente importantes e exigidas usando esse computador até agora. é difícil falar.
A Intel está à beira do mesmo marco de 50 qubits, mas usa uma tecnologia diferente para criar qubits. E isso é bom, porque se uma das empresas encontrar problemas na implementação de sua abordagem, a segunda continuará avançando em direção ao progresso.
O líder da corrida quântica hoje é o Google, que demonstrou um computador quântico de 72 qubit. A tecnologia principal do Google é a mesma que a IBM - qubits supercondutores. Um grupo de cientistas e desenvolvedores do Google também publicou vários artigos científicos que descrevem abordagens para alcançar a excelência quântica. Portanto, em um futuro próximo, pode-se esperar que a empresa demonstre superioridade quântica com a ajuda de seu processador quântico desenvolvido.
Um sistema de 51 qubits também foi criado na comunidade acadêmica - isso foi possível para o grupo de Mikhail Lukin (formado em Fiztekh e chefe do Conselho Consultivo Internacional do Centro Quântico Russo) baseado em átomos neutros ultracoldos, bem como um sistema de 53 qubits do grupo de Christopher Monroe da Universidade de Maryland, que também Ele é o fundador da IonQ, uma empresa que desenvolve um computador quântico comercial baseado em íons. A propósito, o IonQ não é o único exemplo de uma startup no campo da computação quântica - agora existem mais de uma dúzia delas.
Obviamente, a China tem um grande potencial no campo quântico. "Celestial" tem planos grandiosos, planejando construir o maior computador quântico, e os desenvolvedores já têm US $ 12 bilhões para criar o Laboratório Nacional Quântico.
Um pouco à parte é a empresa D-Wave. O processador D-Wave possui milhares de qubits, mas eles funcionam em um modo diferente - o modo de recozimento quântico. Isso permite que você resolva com a ajuda de um computador assim, de fato, apenas uma tarefa. Apesar de empresas como Google e Volkswagen já trabalharem com o D-Wave, há debates acalorados sobre as vantagens de um computador quântico.
Lado aplicado da questão
Apesar de todos os esforços, hoje os computadores quânticos não resolvem muitos problemas práticos, mas o potencial parece impressionante. Agora, o desenvolvimento da computação quântica segue em duas direções:
- Computadores quânticos especializados que visam solucionar um problema específico específico, por exemplo, problemas de otimização. Um exemplo de produto são os computadores quânticos D-Wave.
- Computadores quânticos universais - capazes de implementar algoritmos quânticos arbitrários. Hoje, existem apenas pequenos protótipos de computadores quânticos universais - Google, IBM e Intel estão trabalhando nessa direção. Eles estabelecem as bases, mas até agora não permitem fazer algo em larga escala e não sabem como lidar com erros.
De qualquer forma, os computadores quânticos possibilitam operar com um grande espaço de estados, e isso pode ser útil, por exemplo, para solucionar problemas de pesquisa, otimizar vários processos e modelar sistemas complexos.
Devido ao fato de a IBM oferecer a todos que usem um computador quântico, os programadores quânticos modernos já estão treinando na montagem de tarefas e executando-as em pequenos computadores quânticos. Por exemplo, para pesquisar em um banco de dados não ordenado, o algoritmo quântico tem uma vantagem quadrática. Nessa tarefa, um banco de dados não ordenado pode ser representado como uma espécie de "caixa preta", para a qual as solicitações são enviadas (endereços de elementos nesse banco de dados) e uma caixa preta responde a eles "sim" ou "não" (é o elemento localizado em endereço, requisitos de solicitação). Imagine que em algum banco de dados o endereço de cada elemento consista em n bits, e nesse banco de dados haja apenas um elemento que satisfaça determinadas condições. Para encontrar esse elemento, em média, precisamos de cerca de 2 ^ n consultas (mais precisamente, 2 ^ (n-1)), porque devido à desordem do banco de dados, tudo o que resta para nós é classificar todos os endereços possíveis (dos quais 2 ^ n pedaços) sequencialmente até finalmente termos sorte e chegar ao elemento certo. Se tivermos um análogo quântico de uma caixa preta (também chamada de “oráculo quântico”), para obter uma resposta, precisamos de cerca de 2 ^ (n / 2) solicitações. A vantagem do "algoritmo de enumeração quântica", nomeado após L. Grover, é devido à capacidade de fazer muitas perguntas para a caixa quântica ao mesmo tempo - para formar uma superposição de consultas.
É importante observar que a tarefa de pesquisa em um banco de dados não ordenado é de natureza universal - quase qualquer outra tarefa (incluindo NP-completa) pode ser reduzida a ela. No entanto, para resolvê-lo, o número de consultas precisará crescer exponencialmente com a complexidade da tarefa (no exemplo considerado, o parâmetro n correspondeu a ela). Portanto, você não deve tratar um computador quântico como uma ferramenta onipotente capaz de resolver problemas computacionais arbitrários com aceleração exponencial. Em alguns casos, seus recursos serão muito mais modestos.
No entanto, um grande potencial já é evidente hoje para problemas no campo da química quântica. Por exemplo, na indústria, o cálculo dos parâmetros de compostos químicos e a modelagem de reações químicas estão em demanda. Ao usar computadores clássicos, nos faltam os recursos e geralmente precisamos comprometer a precisão. Os computadores quânticos podem ajudar a determinar em detalhes as cadeias de reação, a dinâmica do processo, encontrar catalisadores para as reações desejadas - tudo isso é muito útil! Um dos problemas mais discutidos hoje é a produção de amônia. Este composto é usado ativamente em fertilizantes para plantas, e 1-2% de toda a energia da Terra é gasta em sua produção (dados do Quantum Computing Report e BP). Se, com a ajuda de um computador quântico, fosse possível otimizar o processo de produção de amônia devido ao conhecimento preciso de todos os parâmetros, já teria pago todos os investimentos feitos no desenvolvimento de tecnologias (lembre-se, 1-2% da energia mundial).
Recentemente, na junção da física quântica e do aprendizado de máquina, surgiu uma nova direção - o aprendizado de máquina quântica ou, como costumam dizer, a IA quântica. É importante que a superioridade de um computador quântico em relação aos clássicos em problemas de aprendizado de máquina não exija um computador quântico completo e com vários qubit. Usando um computador quântico, por exemplo, será possível acelerar elementos individuais dos algoritmos de aprendizado de máquina, bem como acelerar o processo de aprendê-los. No Google, nos últimos anos, o aprendizado de máquina quântica é considerado uma das principais áreas em todo o campo da tecnologia quântica.
Não se trata apenas de hardware
Para o próximo avanço, no entanto, não apenas o ferro é necessário, mas também novos algoritmos quânticos rápidos. Há um progresso notável. Por exemplo, para estudar o composto Fe2S2 usando algoritmos de química quântica, levou trinta anos antes quando analisado em um computador quântico. Ao procurar um algoritmo mais ideal, esse tempo foi reduzido para 2 minutos, levando em consideração o uso do mesmo ferro.
No entanto, algoritmos quânticos ainda não são suficientes. Embora ainda existam apenas algumas dúzias, e para o desenvolvimento completo do campo da computação quântica, deve haver muito mais algoritmos.
Medos e tecnologias de segurança da informação
Um computador quântico tem dois lados: escuro e claro. Até agora, falamos sobre o lado positivo - resolver tarefas praticamente exigidas que não podem ser resolvidas com a ajuda de computadores clássicos. Mas há um lado sombrio: um computador quântico resolve o problema de fatoração muito melhor do que o clássico. A complexidade desta tarefa, como você sabe, é um dos fundamentos para garantir a persistência de algoritmos comuns de criptografia de chave pública. O problema de fatoração é extremamente difícil para um computador clássico e, em um quantum, ele pode ser efetivamente resolvido usando o algoritmo Shore. Por exemplo, quebrar uma chave RSA de 1024 bits levará milhões de anos de computação contínua em computadores clássicos, enquanto em um computador quântico esse problema será resolvido em 10 horas (assumindo que cada operação quântica seja 10 ns e que um computador esteja disponível de um número suficiente de qubits lógicos). Até agora, os computadores quânticos não permitem que nada seja invadido - afinal, a análise de criptografia da RSA requer vários milhares de qubits controlados. E embora um computador potencialmente perigoso ainda não exista, a comunidade já está pensando em protegê-lo de possíveis problemas no futuro.
Uma solução é o uso da tecnologia de distribuição de chave quântica, que permite que duas partes troquem chaves criptográficas por criptografia simétrica. Como você sabe, um único fóton não pode ser separado e um estado quântico não pode ser copiado - essa é uma limitação fundamental da mecânica quântica. Sob esse princípio - a proteção dos dados transmitidos pelas leis físicas fundamentais - novos dispositivos são construídos. Nesta área, a China está liderando a arena mundial. Na Rússia, a tecnologia de distribuição de chaves quânticas está sendo desenvolvida por vários grupos, por exemplo, no RCC, Universidade Estadual de Moscou M.V. Lomonosov e ITMO. O dispositivo desenvolvido no RCC já foi testado no Sberbank e no Gazprombank.
Pelo nível de erros no canal, você pode descobrir se a chave foi comprometida. Se o nível de erro estiver abaixo do limite crítico, você poderá corrigir os erros e excluir informações potencialmente acessíveis ao invasor usando algoritmos clássicos e, assim, gerar a chave secreta final. Ao mesmo tempo, as informações protegidas permanecem inacessíveis ao invasor.
, - — . , .
— . , , , .
, . , . , . .
, . , , — . - — .