Квантовый компьютер может изменить мир. Он может изменить медицину, взломать шифрование и произвести революцию в области связи и искусственного интеллекта. Некоторые задачи, над которыми существующим суперкомпьютерам надо трудиться тысячу лет, он сможет решить за полчаса. Такие компании, как IBM, Microsoft, Intel и Google, вступили в гонку за создание квантового компьютера. Китай вложил миллиарды долларов в квантовый вычислительный прорыв.
Квантовый компьютер — гипотетическое вычислительное устройство, где в основе работы центрального процессора лежат законы квантовой механики. Проще говоря, это устройство, состоящее из некоего набора элементарных частиц, на которые осуществляется воздействие и которые в ответ на это воздействие реагируют мгновенным изменением своего квантового состояния.
Идея квантовых вычислений впервые была высказана советским математиком Юрием Маниным в 1980 году, через год эстафету подхватил американский физик Ричард Фейнман, предположив, что законы квантовой механики можно использовать для ускорения вычислений. В 1989-1995 годах британский физик Дэвид Дойч предложил концепцию квантового процессора и квантовых логических вентилей. В 1998 году в Калифорнийском университете Беркли под руководством доктора Айзека Чуанга был создан первый 2-кубитовый квантовый компьютер.
В 2001 году IBM протестировала 7-кубитный квантовый компьютер — самый большой на тот момент, а в 2005 группа кандидата физико-математических наук Ю. Пашкина построила 2-кубитный квантовый процессор на сверхпроводящих элементах.
В 2007 году компания D-Wave начала продавать квантовую систему. Это еще не компьютер, а узкоспециализированная система, работающая быстрее любого суперкомпьютера стандартной архитектуры, но решающая только одну задачу.
В ноябре 2009 года физикам из Национального института стандартов и технологий в США впервые удалось собрать программируемый квантовый компьютер, состоящий из двух кубитов.
В 2017 группа физиков под руководством сооснователя Российского квантового центра и профессора Гарварда Михаила Лукина создала программируемый 51-кубитный квантовый компьютер на холодных атомах рубидия — один из самых мощных квантовых компьютеров. В том же году IBM построила кубитный квантовый компьютер, хотя не раскрыла подробностей.
В 2018 Google построила квантовый процессор Bristlecone, в котором объединила 72 сверхпроводниковых кубита.
В 2019 IBM создала универсальный коммерческий квантовый компьютер Q System One.
В 2020 году квантовый компьютер Google Sycamore с 53 кубитами смоделировал химическую реакцию в молекуле, состоящей из атомов водорода и азота.
Создается впечатление, что полноценный квантовый компьютер уже существует и вовсю решает сложные прикладные задачи. Однако большинство экспертов считает, что на сегодняшний день квантовый компьютер находится только на стадии разработки, так как реализованы лишь единичные экспериментальные системы, исполняющие фиксированный алгоритм небольшой сложности. Сама возможность построения полноценного квантового компьютера связана с серьезным развитием квантовой теории, проведением сложных экспериментов и, вероятно, с еще не совершенными открытиями.
В этой связи предлагаем ознакомиться с докладом исследовательской корпорации RAND «Коммерческие и военные приложения квантовых технологий и сроки их реализации» (октябрь 2021 года). В докладе предложен краткий анализ важнейших квантовых технологий и дается представление об их развитии во всем мире.
Глава первая
Введение
Квантовая механика — это область физики, которая описывает поведение микроскопических частиц. В масштабах расстояний меньше нескольких нанометров становятся важными принципиально новые физические эффекты, не имеющие аналогов в повседневной жизни человека. Теперь инженеры могут создавать несколько типов устройств, которые используют преимущества этих эффектов, чтобы намного превосходить возможности существующих устройств.
Физическая теория квантовой механики изучается более века, но в последние годы было предложено много новых потенциальных приложений, которые уже созданы или приблизились к стадии практического использования и развития.
Квантовые технологии часто делятся на три большие категории: квантовое зондирование, квантовая связь и квантовые вычисления.
Глава вторая
Обзор квантовых технологий
Квантовое зондирование
Квантовое зондирование относится к способности использовать квантовую механику для создания точных датчиков. Считается, что это применение квантовой технологии имеет ближайший коммерческий потенциал. Новая технология квантового зондирования, разрабатываемая учеными, обещает нам способность видеть, что находится под землей или за стеной, а военным — возможность тайно обнаруживать противника.
Рассмотрим несколько примеров применения квантового зондирования:
Высокоточные часы могут иметь коммерческое применение, например, для проверки высокочастотных финансовых сделок и динамического регулирования электросети. Чувствительные гравитометры можно использовать для сейсмографических прогнозов землетрясений и чувствительных вулканов, для подземной разведки запасов нефти и газа или для оценки твердости грунта под крупными строительными объектами без необходимости рыть скважины.
Немецкая компания Bosch, которая производит автомобильные компоненты и другие точные промышленные технологии, изучает возможность использования квантовых акселерометров в автомобилях, особенно в автономных транспортных средствах. Квантовые магнитометры также могут иметь биомедицинское применение — например, для улучшения сканеров магнитно-резонансной томографии (МРТ) и позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ).
Ещё одно применение квантового зондирования, которое в первую очередь представляет интерес для военных, — это навигация в условиях, где отсутствует GPS. Гравитационное и магнитное поля Земли имеют небольшие вариации, известные как аномалии, которые меняются от места к месту. Чувствительный гравитометр или магнитометр может проводить точные измерения локальных полей и сравнивать их с картами этих аномалий для навигации без какой-либо внешней связи. Точно так же улучшенные акселерометры могут использовать автономные инерциальные навигационные системы (Инерциальная навигация — метод навигации (определения координат и параметров движения различных объектов — судов, самолётов, ракет и др.) и управления их движением, основанный на свойствах инерции тел, являющийся автономным, то есть не требующим наличия внешних ориентиров или поступающих извне сигналов – Е.С., В.О.).
Квантовое изображение
Другая категория квантового зондирования известна как квантовое изображение, которое включает обнаружение как видимого света, так и радиочастотного излучения (т.е. радаров). Два из наиболее многообещающих приложений как известны фантомное изображение и квантовое освещение.
Фантомное изображение
Фантомное изображение использует уникальные квантовые свойства света для обнаружения удаленных объектов с использованием легко отображаемых целей. Лучи фантомного изображения также могут сильно проникать атмосферные заслоны, такие как дым и облака. Сотрудники Исследовательской лаборатории армии США, разработавшие эти технологии, предложили использовать фантомную визуализацию для дальнего радиолокационного обнаружения с земли беспилотных летательных аппаратов или спутников. Помимо очевидного военного применения, способность проникать сквозь дым и облачный покров может быть полезна для мониторинга погоды или реагирования на стихийные бедствия (например, для мониторинга распространения лесных пожаров). Этот метод может быть очень эффективным в условиях дыма или публично действовать на расстоянии 2,33 км.
Ряд исследователей обсуждает использование фантомных изображений для скрытых операций. Фантомное изображение может предложить более высокое разрешение, чем стандартное изображение, особенно в условиях очень низкой освещенности, когда цель трудно обнаружить. Предлагается также применять фантомное изображение при очень слабом освещении для использования изображений биологических образцов, которые настолько хрупкие, что они могут быть повреждены ярким освещением.
Квантовое освещение
Квантовое освещение концептуально похоже на фантомное, но может обеспечить еще большее усиление чувствительности. Математически доказано, что квантовое осветительное устройство может достичь отношения сигнал/шум (SNR) на 6 дБ выше, чем лучший теоретически возможный аппарат, не использующий преимущества квантовой механики.
Одним из предлагаемых вариантов использования этой технологии является квантовый радар для военных приложений. Теоретически квантовый радар должен быть уникально эффективным для обнаружения целей с низкой отражательной способностью на фоне высокого шума, поэтому он может быть особенно эффективным для обнаружения самолетов-невидимок. Улучшение отношения сигнал /шум на 6 дБ соответствует увеличению максимальной дальности обнаружения радара на 41%. Более того, квантовый радар, в принципе, может быть спроектирован так, чтобы сигналы было чрезвычайно трудно перехватить или заблокировать.
В открытой литературе еще не сообщалось о крупномасштабных радарах с квантовым освещением, но есть описание применения настольных прототипов. Один из прототипов успешно использует отношение сигнал / шум, превышающее возможное для неквантового. Как и в случае создания фантомных изображений, повышенная чувствительность квантового освещения может позволить использовать гораздо более слабый сигнальный луч, чем это обычно. Соответственно, квантовое освещение может также применяться для биомедицинской визуализации в ситуациях, когда сильный сигнальный луч от обычного устройства визуализации может повредить исследуемую ткань.
Даже теоретическая конструкция квантового радара остается на очень ранней стадии, и до недавнего времени квантовый радар был способен (в принципе) улучшать измерение дальности до цели от приемопередатчика, но не ее направления. Однако даже с этой новой конструкцией нет возможности отслеживать скорость или направление движения цели, как это могут делать существующие радары с помощью эффекта Доплера. Таким образом, военная полезность квантового радара остается ограниченной без значительного прогресса в его конструкции.
Квантовая коммуникация
Основное краткосрочное применение технологии квантовой связи — защита от перехвата, в первую очередь с помощью метода, известного как квантовое распределение ключей (QKD). В QKD ключ шифрования передается между двумя сторонами в виде квантовых частиц, называемых фотонами. В результате квантовой природы этих частиц любой перехватчик, который их перехватывает, в принципе обязательно оставит подпись в самом потоке данных; если протокол реализован должным образом, то физически невозможно наблюдать фотоны, не изменяя их каким-либо образом. Если две взаимодействующие стороны обмениваются неповрежденным ключом шифрования, то они могут быть уверены, что никто не перехватил их передачу ключа и, следовательно, никто не сможет расшифровать соответствующие зашифрованные данные. По этой причине квантово-безопасную связь иногда называют «невзламываемой».
Однако этот упрощает безопасность QKD. На практике есть технические тонкости, которые могут привести к уязвимостям. Коммерческие версии с QKD неоднократно демонстрировали наличие уязвимостей в системе безопасности. Более того, даже если уязвимости канала связи к физическому перехвату были защищены, сигнал все равно нужно было кодировать и декодировать на конечных точках компьютерами, уязвимыми для взлома, поэтому защиты данных от физического перехвата недостаточно для обеспечения безопасности связи.
QKD был продемонстрирован на трех различных физических каналах связи: оптоволоконный кабель, открытый канал и спутниковый. Оптоволоконный кабель является наиболее распространенным каналом, но конечные точки передачи должны быть фиксированными, и фотоны могут пройти всего несколько сотен километров до того, как выйдут из строя. Передача через свободное пространство позволяет перемещать конечные точки, но требует передачи в пределах прямой видимости. Гораздо более впечатляющая демонстрация QKD произошла в 2017 и 2018 годах, когда китайский квантовый спутник квантовый спутник Mozi излучал потоки фотонов из космоса, которые зашифровали полностью безопасную 75-минутную телеконференцию между Китаем и Австрией. Пока что Mozi — единственный спутник, демонстрирующий QKD из космоса.
QKD по оптоволоконным кабелям уже сегодня имеет ограниченное коммерческое использование. Швейцарская компания ID Quantique установила QKD между голландскими телекоммуникационными центрами обработки данных, между швейцарскими банками и между избирательными центрами швейцарского правительства. Китайцы построили обширную сеть, соединяющую Пекин и Шанхай, а в 2020 году японские исследователи из Toshiba установили новый рекорд передачи данных через QKD, передав сотни гигабайт геномных данных человека.
Квантовые вычисления
Квантовые вычисления — это наиболее широко известное применение квантовой технологии, но оно также, вероятно, наиболее далеко от практического применения. Квантовый компьютер в принципе мог бы выполнять вычисления намного быстрее, чем это принципиально возможно со стандартным компьютером — настолько, что некоторые задачи, которые невозможно решить на стандартном компьютере, могут стать решаемыми на квантовом компьютере. Несмотря на это, существует на удивление мало известных алгоритмов для конкретных приложений. Фактически, существует множество вычислительных задач, для которых не ожидается, что квантовые компьютеры принесут какие-либо существенные улучшения по сравнению с классическими компьютерами. Более того, создание полезного квантового компьютера сопряжено с огромными инженерными проблемами, и сегодня существуют только небольшие прототипы.
Двумя наиболее важными квантовыми алгоритмами являются алгоритм Шора и алгоритм Гровера. Алгоритм Шора может использоваться для разложения на множители больших чисел экспоненциально быстрее, чем любой известный классический алгоритм. Алгоритм Шора будет расшифровывать конфиденциальную информацию, передаваемую по открытым каналам, таким как Интернет, с очевидными последствиями для онлайн-торговли и национальной безопасности. Также он может быть использован для разрушения безопасности большинства протоколов блокчейнов, включая биткойн, хотя были предложения по конструкциям блокчейнов, которые были бы безопасны от квантовых атак.
Алгоритм Гровера улучшает скорость перебора в большой базе данных, а также численную оптимизацию. Даже небольшое улучшение поиска в базе данных и числовой оптимизации может иметь важные приложения во многих областях, требующих высокопроизводительных вычислений, таких как инженерия и фундаментальные науки (например, биохимия и материаловедение). Неполный список потенциальных приложений включает логистику, оптимизацию цепочки поставок, маршрутизацию доставки, финансовое управление и моделирование сложных физических систем (таких как ядерные или погодные системы).
Третий важный алгоритм, известный как алгоритм Харроу-Хассидима-Ллойда (HHL), был открыт совсем недавно, и его значение все еще является областью активных исследований. Алгоритм HHL эффективно выполняет определенные вычисления линейной алгебры, которые потенциально могут значительно улучшить алгоритмы машинного обучения, используемые для искусственного интеллекта. Однако многие эксперты по-прежнему скептически относятся к тому, что квантовые компьютеры предложат резкое улучшение в этой области.
Последнее, менее известное потенциальное применение квантовых компьютеров — это научное моделирование современных материалов и биохимии, в том числе для создания лекарств и улавливания углерода. Поскольку квантово-механические эффекты объясняют физику, лежащую в основе этих материалов, компьютеры, использующие квантовую механику, однозначно хорошо подходят для их компьютерного моделирования.
Квантовые технологии, охватывающие разные категории
Все краткосрочные приложения квантовой технологии, которые в настоящее время разрабатываются, попадают в одну из трех категорий: зондирование, коммуникация и вычисления, описанные ранее. Однако определенные стимулирующие технологии могут подталкивать прогресс во многих категориях. Например,
• Стабильная квантовая память необходима для хранения информации в квантовых компьютерах в течение длительного времени, что может улучшить безопасность технологии квантовой связи и дальность действия квантового радара.
• Фотонные кубиты, используемые для квантовой связи на большие расстояния, также могут использоваться для квантовых вычислений.
Следовательно, технологический прогресс, скорее всего, не будет происходить полностью независимо, только с использованием рассмотренных трех широких категорий квантовых технологий. Долгосрочное применение квантовой технологии, известной как квантовые сети (или иногда квантовый Интернет), может охватывать все три категории. Квантовая сеть узлов связи могла бы быть безопасной и могла бы позволить распределенное квантовое зондирование и вычисления для иного применения, которое сегодня трудно предсказать.
Глава третья
Перспективы на ближайшие несколько лет
Существует простая (хотя и техническая) объединяющая мера, известная как квантовая запутанность, которая позволяет количественно оценить как производительность, так и инженерные трудности, с которыми сталкивается данная квантовая технология. Грубо говоря, запутанность относится к нескольким микроскопическим частицам, которые скоординировано работают вместе, что увеличивает их индивидуальные возможности. Все наиболее мощные потенциальные приложения квантовой технологии требуют устойчивого взаимодействия между множеством частиц. Однако такое крупномасштабное запутывание чрезвычайно сложно спроектировать, потому что запутывание очень хрупкое, и для его сохранения требуется, чтобы частицы были чрезвычайно хорошо изолированы от окружающей среды (и обычно охлаждались до нескольких тысячных долей градуса выше абсолютного нуля).
Для большинства приложений квантового зондирования требуется очень мало контролируемой запутанности, поэтому они считаются наиболее близкими к коммерческому развертыванию. В открытой литературе имеется мало информации о потенциальных военных применениях квантовых устройств определения местоположения, навигации и синхронизации (PNT), но поскольку технология визуализации фантомных изображений, достаточно развита, она, вероятно, может быть реализована в коммерческих целях в течение нескольких лет. Квантовый радар действительно требует некоторой запутанности и, вероятно, будет применяться в коммерческой сфере намного позднее, потому что некоторые фундаментальные научные проблемы все еще необходимо преодолеть; по оценке экспертов, он может быть введен в эксплуатацию к 2030 году. Правительство Китая утверждает, что уже поставило на вооружение прототип действующего квантового радара, но эксперты крайне скептически относятся к этому утверждению.
Приложения квантового зондирования для навигации без GPS также могут быть близки к практической полезности. В 2015 году в отчете Научно-консультативного совета ВВС был сделан вывод о том, что квантовые навигационные датчики могут быть доведены до уровня технологической готовности в период 2020–2025 годов.
В 2019 году Lockheed Martin анонсировала прототип квантового магнитометра для навигации без GPS. Американский стартап ColdQuanta работает над устройствами, которые он называет системами квантового позиционирования. Разработки некоторых вспомогательных технологий систем финансирует Министерство обороны США.
Хотя уже разрабатываются некоторые коммерческие приложения для инерциальной навигации (например, автономные транспортные средства) , наиболее важными приложениями все же являются военные. Поэтому исследования и разработки (НИОКР), вероятно, будут проводиться военными как в Соединенных Штатах, так и в других странах. Партнерство Five Eyes (включающее Австралию, Канаду, Новую Зеландию, Великобританию и Соединенные Штаты) объявило о программе Quantum-Enabled PNT Strategic Challenge, целью которой является использование квантовых датчиков на судовой платформе для демонстрации новых возможностей навигации в условиях ограниченных возможностей GPS к 2022 году. В итоге Технология квантового зондирования вполне может достичь коммерческой или военной зрелости в течение следующих нескольких лет.
Квантовая связь — это промежуточный случай, потому что некоторые протоколы используют запутанность, а некоторые нет (хотя запутанность обеспечивает дополнительную безопасность). Квантовые коммуникации, которые не основаны на запутанности, уже были коммерчески развернуты (в форме QKD), но до коммуникации на основе запутанности еще несколько лет. Например, китайский спутник Mozi, упоминавшийся ранее, не использовал запутанность, так что это было несколько менее безопасным, чем если бы использовался протокол, основанный на запутанности.
В конце концов, сложные сети квантовой связи на основе запутанности могут привести к квантовому Интернету. Полноценный квантовый Интернет потребует фундаментальных достижений как в квантовой коммуникации, так и в вычислительных технологиях, и это произойдет через много лет, хотя мелкомасштабные реализации квантовых сетей могут появиться всего через несколько лет. Первые реализации, вероятно, будут использоваться для расширения диапазона безопасной квантовой связи за пределы ограниченного диапазона, описанного ранее. Таким образом, простейшие формы квантовой коммуникации уже развернуты, но до наиболее продвинутых и полезных форм, вероятно, еще далеко.
Квантовые вычисления — это наиболее технологически сложный случай, потому что он требует высокой степени запутанности.
Основной строительный блок квантового компьютера известен как кубит, наименьшая единица информации в квантовом компьютере (аналог бита (0 и 1) в обычном компьютере), использующаяся для квантовых вычислений. Мощность квантового компьютера можно грубо измерить количеством высококачественных кубитов, запутанных внутри него. Квантовому компьютеру требуется минимум около 50 высококачественных кубитов для выполнения некоторых вычислений, которые слишком сложны для любого существующего суперкомпьютера — веха, которую иногда называют квантовым превосходством.
В октябре 2019 года Google заявила, что достигла квантового превосходства с 53-кубитным квантовым компьютером, известным как Sycamore. Квантовому компьютеру Sycamore потребовалось несколько минут, чтобы выполнить расчет, который, по утверждению Google, потребует от самого быстрого суперкомпьютера в мире более 10 000 лет. Однако конкретная вычислительная проблема, которую решила Sycamore, не имеет известного практического применения; компьютер был построен в первую очередь для того, чтобы продемонстрировать принципиальное доказательство того, что квантовые компьютеры могут повысить производительность при решении определенных проблем, даже если они надуманы. Хотя веха квантового превосходства служит важным доказательством концепции квантовых компьютеров, она не приведет к немедленному коммерческому применению.
Самая большая техническая проблема при масштабировании квантовых компьютеров до полезных размеров известна как квантовая коррекция ошибок. Все известные в настоящее время конструкции физических кубитов имеют довольно высокий уровень ошибок, и их накопление быстро портит вычисления. Эта проблема, в принципе, может быть решена путем реализации квантовой коррекции ошибок, которая теоретически хорошо изучена, но только начинает работать.
Основная проблема квантовой коррекции ошибок заключается в том, что она требует огромных расходов на оборудование в виде огромного количества кубитов, которые просто исправляют ошибки, а не напрямую выполняют полезные вычисления.
Приложения для машинного обучения, похоже, сталкиваются с такими же огромными требованиями к оборудованию. Требования к оборудованию для приложений моделирования материалов и биохимии меньше, хотя они, вероятно, потребуют также исправления ошибок, и поэтому до них еще несколько лет.
Поскольку наиболее понятные приложения квантовых компьютеров предъявляют такие огромные технические требования, есть много предложений по алгоритмам, которые могут работать на компьютерах, не требующих исправления ошибок. Эти шумные квантовые компьютеры промежуточного масштаба (NISQ) могут быть доступны в ближайшие несколько лет.
В связи с вышеизложенным можно сделать два основных вывода:
1. Наиболее многообещающие краткосрочные алгоритмы предназначены для работы на гибридных квантово-классических компьютерах вместо полноценных квантовых компьютеров. Существуют эти гибридные алгоритмы для комбинаторной оптимизации и моделирования материалов, но они не так эффективны.
2. Теоретически очень сложно предсказать, какой из краткосрочных алгоритмов окажется полезным. Чтобы выяснить это, научному сообществу потребуется создать и протестировать небольшие квантовые компьютеры.
Глава четвёртая
Основные игроки
Поскольку квантовая технология — относительно небольшая и новая область, было проведено мало систематических международных сравнений инвестиций, качества исследований или общего технологического лидерства.
Чтобы получить представление об этих факторах, нужно измерить один простой показатель — это общие государственные и частные инвестиции страны в НИОКР. Однако это не совсем соответствует технологическому лидерству, особенно в областях (таких как квантовые технологии), которые не требуют огромных капитальных затрат.
До начала десятых годов почти все инвестиции в квантовые НИОКР были государственными. Сегодня наблюдается значительный рост инвестиций частного сектора, который начался примерно в 2012 году и ускорился примерно в 2016 году.
В квантовых технологиях нет явного мирового лидера, потому что разные страны преуспевают в разных областях. США и Китай доминируют в общих расходах: инвестиции федерального правительства в НИОКР (за исключением инвестиций частного сектора) в Соединенных Штатах оцениваются в 200–250 млн долларов в год; в Китае — 244 млн долларов в год. В годовом отчете за 2017 год Американо-китайская комиссия по обзору экономики и безопасности (USCC) пришла к выводу, что «Китай преодолел технологический разрыв с Соединенными Штатами в области квантовой информатики — сектора, в котором США долгое время доминировали». Комиссия классифицировала квантовую информатику как область «тесной конкуренции» между США и Китаем и заявила, что ни одна из стран не имеет явных преимуществ.
Канада также является мировым лидером в области квантовых технологий, особенно Университет Ватерлоо. Вокруг Ватерлоо появилось так много квантовых стартапов, что этот район называют Квантовой долиной, а связанный с ним фонд венчурного капитала, известный как Quantum Valley Investments, занимается исключительно квантовыми технологиями. Канада примечательна тем, что относительно высокая доля ее инвестиций в квантовые НИОКР поступает из частных, а не государственных источников.
В отношении квантового зондирования по состоянию на 2014 год Великобритания и Соединенные Штаты считались международными лидерами. Технологии создания фантомных изображений и квантовых радаров были впервые разработаны в Соединенных Штатах, а исследователи из Ватерлоо продемонстрировали первый прототип настольного квантового радара в 2019 году.
Явным мировым лидером в квантовых коммуникациях является Китай. Он является единственной страной в мире, которая развернула спутник, способный к квантовой связи с землей, и китайцы построили обширную оптоволоконную сеть для QKD между Пекином и Шанхаем. В значительной степени успех Китая связан с одним ученым, Цзянь-Вей Паном, который участвовал почти во всех технологических открытиях Китая в области квантовой связи и фотоники.
В квантовых вычислениях США являются бесспорным мировым лидером. Самые большие квантовые компьютеры (с 50 или более высококачественными кубитами) были построены Google, IBM и стартапом IonQ. Среди других крупных коммерческих игроков США — Honeywell; Microsoft; и другие стартапы, такие как Rigetti, ColdQuanta и PsiQuantum. Еще одна известная группа, занимающаяся квантовыми вычислениями — канадская компания D-Wave systems из Ватерлоо. Google, Lockheed Martin и Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) приобрели машины D-Wave с более чем 2000 кубитами. Однако многие академические исследователи в области квантовых вычислений скептически относятся к производительности компьютера D-Wave, потому что его кубиты гораздо более низкого качества, чем кубиты в других компьютерах. Хотя китайская фирма Alibaba инвестирует в квантовые вычисления, она не анонсировала компьютеры с количеством кубитов (или любыми другими показателями качества), близким к компьютерам американских компаний. В отличие от США, почти все китайские инвестиции в квантовые вычисления, похоже, исходят от правительства, а не от частных компаний.
Глава пятая
Последствия для национальной безопасности
Каждое направление квантовой технологии потенциально имеет серьезные последствия для национальной безопасности (а также для частного сектора), хотя временные рамки для этих последствий различаются.
Большинство приложений квантового зондирования, связанных с национальной безопасностью – ISR (системы наблюдения и разведки) и PNT. Квантовый радар, в принципе, может быть особенно эффективным против самолетов-невидимок. Однако до реализации этой возможности, вероятно, еще много лет, и, возможно, она никогда не будет реализована. Совет по оборонной науке пришел к выводу: «Квантовый радар не предоставит усовершенствованных возможностей МО».
В ближайшем будущем технология визуализации фантомных изображений может улучшить ISR воздушного базирования за счет преодоления облачности и дыма. Чувствительные атомные часы могут улучшить позиционирование на основе GPS, а магнитометры и гравитометры могут позволить осуществлять навигацию в условиях, где отсутствует GPS, через поля Земли. Акселерометры могут улучшить инерциальные навигационные системы, в том числе и в управляемых ракетах. Военно-воздушные силы пришли к выводу, что при устойчивом развитии эти технологии могут стать зрелыми в ближайшие несколько лет.
В ближайшем будущем технология квантовой связи может использовать QKD для защиты конфиденциальных зашифрованных сообщений (военных, правительственных или коммерческих) от враждебного перехвата. На этом приложении сосредоточено внимание китайского правительства. С другой стороны, американские исследователи не уделяют внимания QKD. Более того, ВВС пришли к выводу, что QKD вряд ли обеспечит значительное преимущество перед существующими возможностями, а Совет по оборонным наукам обнаружил, что «QKD был реализован с недостаточными для использования в миссии Министерства обороны США возможностями и безопасностью».
Коммуникационный штаб правительства Соединенного Королевства также выступил против принятия правительством или военными QKD. Агентство национальной безопасности США согласно с этой оценкой и публично заявило, что «не поддерживает использование QKD. . . для защиты коммуникаций в системах национальной безопасности». Это связано с тем, что QKD привносит новую сложность (и, следовательно, потенциальные уязвимости) в коммуникационную цепочку. Квантовая информация останется уязвимой для использования других слабых звеньев (например, программные уязвимости на конечных точках). Тот факт, что Китай, Европа и Япония быстро продвигаются к развертыванию QKD, в то время как оборонные сообщества США и Соединенного Королевства публично противодействуют его развертыванию, указывает на две разные точки зрения этих групп стран относительно полезности QKD.
Теоретически квантовые вычисления могут в итоге оказать самое серьезное влияние на национальную безопасность. Крупномасштабный квантовый компьютер, способный развернуть алгоритм Шора на текущем коммерческом шифровании (таком как 2048-битный RSA), окажет разрушительное влияние практически на всю безопасность в Интернете. Без надежного шифрования приватное общение онлайн станет невозможным, что сделало бы невозможными онлайн-торговлю и другие финансовые транзакции (без средств безопасной передачи платежной информации), а также сделало бы электронную почту бесполезной для конфиденциальной связи.
Но квантовые компьютеры, способные выполнять алгоритм Шора, почти наверняка появятся более чем через десять. Более того, правительство США уже разрабатывает ответ на угрозу, исходящую от квантовых компьютеров. В частности, Национальный институт стандартов и технологий разрабатывает новые алгоритмы шифрования, которые считаются безопасными от атак со стороны будущих квантовых компьютеров.
Хотя переход на новые алгоритмы будет разрушительным, маловероятно, что разработка крупномасштабных квантовых компьютеров навсегда разрушит возможность криптографии с открытым ключом.
В ближайшем будущем компьютеры NISQ меньшего размера не окажут очевидного прямого воздействия на национальную безопасность. Задачи, актуальные для военных и разведывательного сообщества (например, оптимизация целей и машинное обучение), вероятно, слишком сложны для компьютеров NISQ. Любое воздействие на национальную безопасность, скорее всего, будет только косвенным и приведет к общим экономическим выгодам от улучшенных (общедоступных) научных и биомедицинских знаний.
Глава шестая
Заключение
Краткосрочные последствия квантовых компьютеров иногда преувеличиваются. Существующие квантовые компьютеры необходимо будет увеличить в 1 миллион раз, прежде чем они станут актуальными для криптографии. Краткосрочные квантовые компьютеры пока не имеют гарантированных приложений, но моделирование для научных исследований выглядит многообещающим и может иметь серьезные экономические последствия. Квантовые датчики гораздо ближе к коммерческому развертыванию и могут обеспечить значительные улучшения в получении изображений на большом расстоянии, синхронизации и обнаружении электрических, магнитных и гравитационных полей как в коммерческих, так и в военных целях. QKD, в принципе, может улучшить защиту коммуникаций от подслушивания, но многие эксперты из США и Великобритании скептически относятся к тому, что это окажется полезным на практике. В дальнейшем более сложные формы технологии квантовой связи могут быть использованы для объединения в сеть квантовых компьютеров и датчиков, но эти сети все еще находятся на очень ранней стадии развития.
Соединенные Штаты, за которыми следуют Канада, Великобритания и ЕС, являются мировыми лидерами в области квантового зондирования и вычислений. Китай решил сосредоточить свои исследовательские усилия на квантовой связи и считается мировым лидером в этой области, потому что это единственная страна, которая запустила спутник QKD и проложила крупнейшую в мире сеть волоконно-оптических кабелей для QKD. Однако ни Соединенные Штаты, ни Китай не имеют явного лидерства в квантовых технологиях в целом. Комиссия США и Китая по обзору экономики и безопасности охарактеризовал квантовую информатику как область «тесной конкуренции» между двумя странами.
