В июньском докладе экспертов Банка международных расчётов (BIS, международная структура со штаб-квартирой в Базеле, Швейцария) угроза со стороны квантовых платформ обозначена главной опасностью ближайших лет. До её опасного воплощения осталось не так долго — порядка семи лет. Некоторые учреждения начали внедрять инструменты для её смягчения, но многим это ещё предстоит сделать. В России, что интересно, эта проблема не возникнет ещё сотни лет.

Источник изображения: rawpixel.com / freepik.com

Эксперты BIS ожидают, что полноценные квантовые компьютеры появятся в течение ближайших 10–15 лет. Они станут самой опасной угрозой для безопасности банковских данных по всему миру. На дешифровку зашифрованных традиционными методами данных с помощью RSA и ECC им понадобятся часы или даже минуты, на что традиционным компьютерам необходимы тысячи лет. Квантовые алгоритмы и особенно хорошо известный алгоритм Шора легко раскладывают (факторизуют) большие числа на простые множители и тем самым намного быстрее, чем на классическом компьютере, расшифровывают ключ или сообщение.

Другое дело, что для факторизации криптографически значимых (длинных) ключей требуются квантовые системы из сотен тысяч или даже из миллионов кубитов. Маловероятно, что такие квантовые платформы появятся в обозримом будущем. И здесь подстерегает другая опасность. Чувствительные данные можно записать сейчас, а вскрыть через 10 или больше лет. К банковским транзакциям этот метод неприменим, но для целого спектра информации, включая личную и гостайну, это вполне рабочий вариант. Китай, кстати, по некоторой информации уже накапливает данные для взлома в будущем.

В конце прошлого года тревожной новостью стало сообщение о возможности кратно ускорить работу алгоритма Шора. Об этом также сообщили китайские исследователи. На опытной 10-кубитовой платформе они смогли взломать 48-битный ключ RSA. Тем самым они предсказали, что использующийся сейчас массово в банковском и других секторах ключ RSA длиной 2048 бит может быть взломан системой из 372 кубитов, а это очень и очень близкое будущее.

Позже специалисты Fujitsu опровергли эти опасения, показав, что для быстрого взлома RSA-2048 всё-таки нужен квантовый компьютер с не менее чем 10 тыс. кубитов и 2,25 трлн связанных с ними вентилей (логических элементов). Это явно не завтрашний и даже послезавтрашний день, но угроза от этого мягче не станет, когда её время придёт.

Для смягчения квантовых угроз эксперты BIS призывают переходить на постквантовое шифрование (в простейшем случае — это увеличение разрядности RSA-ключей) и новое оборудование, в частности, на квантовую криптографию, которая устранит опасность перехвата чувствительной информации. К примеру, в рамках проекта «Скачок» (Project Leap) ранее была реализована передача платёжного сообщения в формате XML между Банком Франции и Немецким федеральным банком через квантово защищённую сеть VPN по протоколу IPsec, сообщается в докладе, который цитирует издание «Ведомости».

Также в BIS утверждают, что большая часть центральных банков в мире уже имеют возможности по введению постквантовых алгоритмов, хотя им требуются дополнительные оценки, чтобы понять, какие системы могут быть наиболее уязвимыми к угрозам хакерских атак с квантовых устройств. Это означает, что к 2025 году в большинстве центробанков наравне с обычными алгоритмами шифрования будут активно использоваться постквантовые алгоритмы.

Бизнес-консультант по информационной безопасности Positive Technologies Алексей Лукацкий напомнил, что на одной из прошлых конференций по кибербезопасности RSA Conference прозвучал прогноз о начале взлома обычных ключей квантовыми системами уже с 2027 года. Поэтому множество международных компаний давно и эффективно работают над алгоритмами постквантовой криптографии. Там совсем новая математика, и она рассчитана на «умное» противодействие квантовым алгоритмам взлома.

По оценкам ФСБ, на которые также ссылается специалист Positive Technologies, российские криптографические алгоритмы в обозримом будущем неподвластны квантовым компьютерам, и пройдёт как минимум сотни лет, прежде чем риски станут актуальными. В то же время самыми уязвимыми к квантовому взлому остаются алгоритмы передачи данных между операторами и ЦОД, системы электронного документооборота, информационно-аналитические системы, онлайн-банкинг и платёжные терминалы, а также инфраструктура электронных подписей.

По оценкам BCG 2022 года, вероятность осуществления хакерской атаки на финансовый институт примерно в 300 раз выше, чем на организации другого типа, а данные S&P Global говорят о том, что шансы атак растут вместе с размерами финансовой организации. Прямыми убытками чреват даже сам факт взлома без кражи данных или иных потерь, что подорвёт доверие клиентов к банковским услугам и механизмам.

Так, в марте этого года S&P провело моделирование успешной атаки на крупный европейский банк (с доходом более 1 млрд евро). В худшем случае это привело бы к прямым убыткам в размере около 7 % капитала без учёта репутационных потерь и недополученной в будущем прибыли. Что будет происходить в случае настоящей атаки, можно только догадываться. Иногда реальность в своём воплощении превосходит даже худшие воображаемые кошмары.

Разработчик квантовых компьютеров — американская компания IonQ — сообщил о первых опытах имитации мыслительной деятельности человека на квантовых схемах. Задачей эксперимента стало исследование принципиальной возможности запустить на квантовом «железе» модели познания и принятия решений человеком. Первые результаты обнадёживают, о чём компания сообщила в научной публикации.

Источник изображения: Pixabay

Исследователи напомнили, что психологи системно свыше 60 лет пытаются проникнуть в тайну познания человеком себя и окружения. Ряд аспектов указывают на то, что путь мысли человека в чём-то (а иногда очень сильно) подчиняется законам квантовой вероятности. Было бы неправильно упустить этот момент и не попытаться запустить выведенные психологами модели принятия решений на квантовых компьютерах. Если правильно подобрать компоненты, это приведёт к появлению невероятно мощных по силе инструментов для предсказаний тех или иных событий, как и создаст предпосылки для возникновения всезнающих управленческих платформ.

Вместе с международной группой учёных специалисты IonQ смогли создать квантовые схемы, регистры и гейты, которые позволили запустить имитацию мыслительной деятельности человека. Фактически в кубитах были закодированы человеческие ментальные состояния, что позволило провести с ними манипуляции и получить определённый результат. Это пока первые шаги. Но завести они могут очень далеко, и даже нельзя сказать, в хорошую или плохую сторону. Оружием может стать любой рабочий инструмент. А новый инструмент может обернуться против всего человечества разом.

«Потенциальное влияние квантовых компьютеров, способных эмулировать процессы принятия решений человеком, невозможно переоценить, поскольку такое будущее становится всё ближе к реальности, — сказал Питер Чапман (Peter Chapman), генеральный директор и президент IonQ. — Этот прорыв несёт в себе огромный потенциал для таких областей, как генеративный ИИ, позволяя создавать сложные и тонкие системы искусственного интеллекта, способные генерировать высокореалистичные и творческие результаты. Благодаря беспрецедентной вычислительной мощности квантовых вычислений, сегодняшнее исследование закладывает важнейшую основу для развития сложной сети корреляций, которая станет топливом для будущих инноваций».

Но самое интересное в том, что даже человек может мыслить по законам квантовой физики. Последние исследования показывают, что у нас у каждого в голове может быть маленький квантовый компьютер, хотя это уже другая история.

Генеральный директор IBM Арвинд Кришна (Arvind Krishna) в своём интервью ресурсу Nikkei Asian Review коснулся разных тем, но наиболее важным для отрасли можно считать его прогноз относительно перспектив развития квантовых вычислений. По его словам, уже через три–пять лет квантовым компьютерам найдётся коммерческое применение. Для этого достаточно квантовых компьютеров, предлагающих от 4000 до 10 000 кубит.

Источник изображения: IBM

Данное заявление глава IBM сделал в контексте анонса сотрудничества с Токийским университетом и Университетом Чикаго в сфере создания квантового компьютера с 100 000 кубит через десять лет. Этот проект подразумевает инвестиции со стороны IBM в сумме $100 млн. Глава компании убеждён, что в сфере квантовых вычислений партнёры по проекту смогут продвигаться шаг за шагом до тех пор, пока соответствующие системы не позволят решать проблемы, которые для обычных суперкомпьютеров слишком сложны или затратны. Возможностей квантовых компьютеров с 4000 или 10 000 кубит будет достаточно, чтобы заняться решением проблем в коммерческом сегменте рынка.

В наличии в Японии необходимых специалистов по квантовым вычислениям Арвинд Кришна не сомневается. По его словам, лишь немногие осознают, насколько далеко японские специалисты продвинулись в этой области.

Глава IBM также считает, что инициатива консорциума Rapidus по освоению производства 2-нм продукции на территории Японии к 2027 году вполне может увенчаться успехом, поскольку во всём мире сейчас немало японских инженеров, которые являются экспертами в области литографии, и реализация такого проекта позволит им вернуться в Японию и работать над передовой инициативой. «Япония является одним из немногих мест на планете, где правительство США разрешило бы нам осваивать эту очень продвинутую 2-нм технологию, поскольку между странами имеются договорённости в сфере обороны», — пояснил Кришна. По его словам, успех инициативы Rapidus позволит IBM расширить сотрудничество с японскими партнёрами в будущем.

Идеальной платформы для квантовых компьютеров пока нет. Есть неплохие кандидаты на роль кубитов, но каждый из них несёт багаж недостатков. Учёные из Нидерландов попытались создать гибридные кубиты, сочетая лучшие и нивелируя худшие их свойства, и преуспели в этом. Перспективный гибридный кубит лёгок в производстве, прост в управлении и стабилен. Правда, пока только в лаборатории и на бумаге.

Учёный держит квантовый чип пинцетом, перед установкой на плату. Источник изображения: QuTech

Исследователи уже не раз горели желанием сочетать сверхпроводящие и спиновые явления. Кубиты на основе сверхпроводников, которые используют стабильные состояния электромагнитных полей или моды, хорошо изучены и используются на практике в составе квантовых компьютеров IBM, Google и других. Такие кубиты хорошо взаимодействуют на больших расстояниях и легко управляются, хотя они относительно большие и имеют предел по скорости выполнения операций.

Спиновые кубиты на атомах или элементарных частицах малы и могут массово выпускаться даже на полупроводниковых заводах из 80-х годов прошлого века. Но такие кубиты ограничены по дальности взаимодействия и управления. Как взять одни свойства перспективных кубитов и отбросить другие? Эту задачу попытались решить учёные из QuTech — исследовательской организации, созданной Делфтским технологическим университетом и Нидерландской организацией прикладных научных исследований (TNO).

В свежей работе, опубликованной в Nature Physics, учёные рассказали о создании и успешных испытаниях гибридной спиново-сверхпровдящей платформы. «В нашем эксперименте нам удалось напрямую манипулировать спином кубита с помощью микроволнового сигнала, — сказал Арно Баргербос (Arno Bargerbos), один из авторов работы. — Мы добились очень высоких "частот Раби", что является показателем того, насколько быстро сигнал может управлять кубитом».

Можно сказать, что учёные улучшили так называемый «спиновый кубит Андреева», который строится на основе ряда квантовых эффектов, названных именем советского физика Александра Фёдоровича Андреева. В джозефсоновских контактах, где сверхпроводящий ток течёт без напряжения, существуют микроскопические электронные состояния — андреевские уровни, каждый из которых может рассматриваться как микроскопический источник эффекта Джозефсона. Они же являются родительскими состояниями майорановских мод.

Джозефсоновские переходы или контакты способны также захватывать сверхпроводящие квазичастицы со своими спинами. Тем самым появляется связь между сверхтоками и спинами. Сверхпроводящим током можно изменять направление спина, а детектирование спина может регистрировать сверхпроводящие токи.

«Наконец, — продолжает Баргербос, — мы продемонстрировали первую прямую сильную связь между спиновым кубитом и сверхпроводящим кубитом, что означает, что мы смогли заставить эти два кубита взаимодействовать контролируемым образом. Это говорит о том, что "спиновый кубит Андреева" может стать ключевым элементом для соединения квантовых процессоров, основанных на радикально различных технологиях кубитов: полупроводниковых спиновых кубитах и сверхпроводящих кубитах».

Учёные Бостонского университета и сотрудники канадской D-Wave в журнале Nature опубликовали статью, которая убедительно доказывает практическую ценность квантовых компьютеров компании. Коммерческая система D-Wave Advantage из 5000 кубитов обеспечила симуляцию особого состояния материи — спинового стекла. Для классических компьютеров такие задачи неподъёмные, а учёные мечтают выйти за пределы известного. Квантовые системы им это дают.

Источник изображений: D-Wave

Компания D-Wave выпускает особый класс квантовых компьютеров. Кубиты в системах D-Wave совсем не такие, как в системах Google, IBM или у российских платформ. Основная масса разработчиков пытается создавать многокубитные системы, в которых квантовая запутанность реализуется, скажем так, по-честному, когда запутанные кубиты имеют ту или иную квантовую величину (характеристику) в одинаковом состоянии.

Пока кубиты когерентны (согласованы) проводятся вычисления или, точнее, симуляции. Это очень хрупкое состояние и длится оно единицы миллисекунд. Много кубитов таким образом не свяжешь. Сегодня это от 20 до 50 кубитов в системах IBM. Канадцы же ещё на старте в 2011 году представили 128-кубитовую платформу и сегодня предлагают уже 5000-кубитовую. Им мало кто верил, пока в 2012 году систему D-Wave не купила Lockheed Martin. В 2013 году вышла первая статья, доказывающая работу квантовых платформ компании, и вскоре их системы были куплены Google и NASA.

В платформах D-Wave когерентное состояние кубитов поддерживается иным образом, а именно с помощью известного явления квантового туннелирования. Вместо того, чтобы удерживать запутанность кубитов платформа D-Wave приводится в состояние когерентного (согласованного) возбуждения всех кубитов, после чего она оставляется в покое и кубиты естественным образом переходят в состояния энергетического минимума. Начальное состояние возбуждения программируется, поэтому в состоянии установившегося покоя (в процессе так называемого отжига) итоговое минимальное энергетическое (физическое) состояние системы — это готовый ответ на поставленную задачу. Фактически — это решение задач той или иной оптимизации.

В свежем исследовании учёные из Бостона и специалисты D-Wave показали, что производительность её квантового компьютера Advantage на 5000 кубитов значительно выше, чем у классических систем при решении задач 3D оптимизации спинового стекла — трудноразрешимого класса задач оптимизации. Эта работа также представляет собой крупнейшее программируемое квантовое моделирование, о котором сообщалось до сих пор.

D-Wave Advantage на 5000 кубитов

В сентябре прошлого года подобные вычисления были проведены на 2000-кубитовой системе D-Wave. Повторение работы в новом масштабе доказывает возможность трансляции когерентных процессов на расширенные процессы при решении задач оптимизации.

«Это исследование знаменует собой значительное достижение для квантовой технологии, поскольку демонстрирует вычислительное преимущество перед классическими подходами для трудноразрешимого класса задач оптимизации, — сказал д-р Алан Барац (Alan Baratz), генеральный директор D-Wave. — Для тех, кто ищет доказательства непревзойденной производительности квантового отжига, эта работа предлагает окончательное доказательство».

В статье в журнале Entropy группа российских учёных из НИТУ МИСИС и Российского квантового центра привели примеры квантовых вычислений на кудитах, которые резко выигрывают на фоне кубитов. Кудиты способны на порядок и даже больше улучшить качество квантовых алгоритмов. Всё что нужно для этого — это новая математика, с чем в российской науке умеют работать.

Источник изображения: НИТУ МИСИС

Разработчики квантовых систем в лице Google, IBM и других компаний пошли по проторенному пути, который гарантирует повышение производительности за счёт обычного увеличения числа кубитов — наименьшей единицы информации и элементарного вычислительного элемента квантового компьютера. У России, похоже, другой путь — это многоуровневые кубиты или кудиты. Математика сложнее, но зато можно запускать квантовые алгоритмы на намного меньшем количестве квантовых элементов. Это как с памятью 3D NAND — чем сложнее структура, тем больше бит можно записать в ячейку, и это работает!

В качестве квантовых вычислительных элементов в России выбрали ионы (атомы). Ионы могут работать не только как кубиты, но и как кудиты, которые являются расширенной версией кубита и могут находиться в трёх (кутриты), четырёх (кукварты), пяти (куквинты) и более состояниях. На днях такая платформа не просто была показана в работе, а была запущена для вычислений через облачный интерфейс.

Как и с памятью 3D NAND, дополнительные состояния кудитов позволяют плотнее кодировать данные в физических носителях, а это прямая возможность реализовывать всё более сложные и комплексные квантовые алгоритмы без усложнения вычислительной архитектуры. Это ведёт к возрастанию мощности квантового процессора «на ровном месте» со значительным ускорением выполнения операций. Так, один куквинт заменяет два классических двухкубитовых вентиля и один вспомогательный уровень, что было показано в работе на примере запуска квантового алгоритма Гровера для поиска по неупорядоченной базе данных.

«Куквинты хороши тем, что их пространство можно рассматривать как пространство двух кубитов с общим дополнительным уровнем. Такое рассмотрение помогает одновременно и сократить число физических носителей информации [кубитов], и использовать дополнительный уровень в качестве вспомогательного состояния для упрощения декомпозиции многокубитных вентилей или как их еще называют — гейтов — сложных логических операций с кубитами. Благодаря этому подходу при реализации квантовых алгоритмов на куквинтах становится возможным сократить число двухчастичных гейтов, т.е. задействующих две физические системы», — рассказал заведующий лабораторией квантовых информационных технологий НИТУ МИСИС Алексей Федоров.

В конкретном примере учёные представили эффективную модель декомпозиции обобщенного вентиля Тоффоли (обобщенную на n кубитов версию вентиля контролируемое НЕ). Используя только этот вентиль, можно построить любую обратимую классическую логическую схему, например, арифметическое устройство или классический процессор.

Оказалось, что по сравнению с кубитами реализация алгоритма на куквинтах при большом числе (>5) задействованных в алгоритме кубитов требует на порядок меньше двухчастичных гейтов. В частности, для 8-кубитного алгоритма Гровера на кубитах требуется выполнить больше 1000 двухчастичных гейтов, в то время как для его реализации на куквинтах их потребуется всего 88. Выигрыш колоссальный и это можно с успехом развивать и применять не только к кубитам на ионах, но также на других физических носителях, например, на сверхпроводящих или спиновых кубитах.

Не секрет, что квантовые вычисления крайне зависимы от состояния среды. Квантовые состояния кубитов страдают от вибраций, космических частиц, теплового движения молекул, электромагнитных полей и других потенциальных воздействий. Точно рассчитать уровень воздействия шума на кубиты — это значит оптимально настроить систему на работу, к чему приблизились учёные из США и Нидерландов.

Источник изображения: Pixabay

Исследователи из Инженерного колледжа Корнеллского университета и Университета Амстердама вывели формулу, которая предсказывает влияние шума окружающей среды на квантовую информацию — это крайне важное достижение для проектирования и создания квантовых компьютеров, способных работать в нашем несовершенном мире. В частности, шум непредсказуемым образом изменяет фазу различных составляющих волновой функции. Этот процесс изменения фазы квантовой системы называется дефазировкой, и он может негативно сказаться на квантовых вычислениях.

Новое исследование точно определяет, сколько избыточности необходимо добавить в квантовое сообщение, чтобы защитить его от дефазинга. Фактически учёные могут теперь количественно оценить влияние шума на квантовые вычисления и разработать методы преодоления этого влияния. Детально процесс проанализирован в статье в журнале Nature Photonics. В целом работа посвящена передаче квантовой информации по оптическим каналам связи, но может быть расширена до исследования других методов работы с квантовой информацией.

Сегодня группа физиков из Российского квантового центра и ФИАН им. П. Н. Лебедева РАН продемонстрировала возможность удаленного подключения к отечественному ионному квантовому компьютеру. С помощью web-интерфейса с обычного ПК были запущены ключевые квантовые алгоритмы. Удалённая квантовая система выполнила расчёт и вернула ответ, что обещает в скором будущем реализацию множества независимых проектов с использованием квантовых систем.

Источник изображения: Фонд НТИ

Важно сразу отметить, что российский квантовый компьютер сильно отличается от платформ IBM, Google и похожих на сверхпроводящих кубитах. В основе российской квантовой платформы лежат многоуровневые кубиты или точнее кудиты на ловушках ионов. Проект стартовал в 2020 году при поддержке Фонда НТИ и Минцифры. В 2021 году был представлен четырёхкубитовый прототип, а ещё год спустя — пятикубитовая или, точнее, пятикудитовая платформа.

Ку(d)ит — это кубит с суперпозицией из более чем двух логических состояний (d). Одновременно это может быть не только 0 и 1 как для классических квантовых платформ, а целый спектр значений, благо квантовая теория предполагает равновероятностное существование всех значений между 0 и 1. Тем самым кудит как ячейка памяти 3D NAND может быть двух-, трёх- и многоуровневым, что повышает разрядность каждого вычислительного элемента. При должной чувствительности 5-кудитовый российский квантовый компьютер может превзойти по мощности десятикратно и более превосходящий его квантовый компьютер на кубитах.

Разработка аппаратной платформы, что важно, непрерывно сопровождалась созданием пакета программного обеспечения, чем все эти два года занимались специалисты Сколтеха и ФТИАН им. К. А. Валиева РАН.

«Разработанный в рамках проекта ЛИЦ программно-аппаратный комплекс уникален для России — это единственный процессор с настроенным облачным интерфейсом, который способен оперировать кудитным регистром. Результат проекта представляет высокий научный потенциал для развития российской отрасли квантовых вычислений», — отметил генеральный директор Фонда НТИ Вадим Медведев.

В ходе демонстрации возможностей интерфейса группе экспертов Фонда НТИ был проведён запуск ряда критически важных квантовых алгоритмов. В частности, учёные удалённо запустили на процессоре алгоритм Гровера, используемый для поиска значения по неупорядоченной базе данных, а также алгоритм Бернштейна-Вазирани, применяемый в решении задачи по нахождению n-битного числа. Точность однокубитных операций достигла 90 %, а двухкубитных — 80 %.

На новом этапе команда начала работу над тестированием нового класса вариационных квантовых алгоритмов, которые представляют большой интерес для прототипирования прикладных задач из области химии, оптимизации и машинного обучения. О готовности предоставить платформу в открытый доступ пока не сообщается.