Ученые из США нашли «пятый элемент» для квантовых компьютеров. Как это поможет им захватить мир?

11 мая, 08:10
Квантовые компьютеры (Фото:thequantuminsider.com)

Квантовые компьютеры (Фото:thequantuminsider.com)

Квантовое программирование — одна из самых перспективных разработок современности. До сих пор ученые не могут найти подходящий материал для полноценных квантовых компьютеров.

В Университете науки и технологий Китая, а также в компании Google, в последние годы уже заявляли о достижении квантового превосходства.

Под этим термином обычно подразумевается создание полноценного квантового компьютера с возможностью решать задачи, которые не может решить даже самый мощный суперкомпьютер.

Видео дня

Однако, это «превосходство» было весьма условным, поскольку задачи, которые выполняют действующие квантовые компьютеры, очень специфичны и не несут особой пользы для любой из сфер человеческой жизни.

Предполагается, что первый практичный квантовый компьютер совершит экспоненциальный скачок в вычислительной мощности. И позволит тем самым моделировать совершенные материалы, лекарства, разрабатывать искусственный интеллект, новые методы криптографии и т. д.

Главной проблемой на пути создания такого компьютера остается разработка устойчивого материала, который позволит поддерживать особое состояние — квантовую суперпозицию — для моментальной обработки огромного количества данных.

Недавно ученые из США обнаружили очень перспективный вариант на роль такого материала.

Как работает квантовый компьютер?

Как уже писал НВ, классические компьютеры шифруют всю информацию в битах, и один бит — это минимальная единица информации в нашем мире. Значение бита может составлять 0 (ноль) или 1 (единица).

В отличие от этого, минимальной единицей информации в квантовых компьютерах являются кубиты. Кубиты могут находиться сразу в двух состояниях — и 0, и 1. Это состояние — квантовая суперпозиция — считают одним из фундаментальных принципов квантовой механики.

Огромное преимущество кубитов заключается в том, что чем больше их есть в квантовом процессоре — тем больше возможных состояний доступны квантовому компьютеру. Иными словами, один кубит добавляет одну степень к 2; два кубита даст 4 возможных состояния (2²); десять кубитов — 1024 (2¹º) и так далее.

Именно благодаря этому квантовые компьютеры должны будут гораздо быстрее выполнять самые сложные вычисления.

Проблема в том, что состояние квантовой суперпозиции, которого ученые достигли совсем недавно, крайне нестабильно: для этого пока используют материалы, которые могут передавать информацию при температурах, близких к абсолютному нулю.

На днях квантовые физики из США опубликовали результаты исследования, согласно которым они могли обнаружить чуть ли не идеальный материал для квантовых процессоров.

О чем идет речь?

Открытие сделали ученые из Аргоннской национальной лаборатории, Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли, Лаборатории искусственного интеллекта МТИ, а также научно-исследовательских институтов при Вашингтонском Университете и Университете Чикаго.

Согласно результатам работы физиков, идеальным материалом для создания сверхпроводящей квантовой схемы может стать замороженный неоновый газ.

Исследователи предполагают, что в основе кубита квантового компьютера может быть электрон, захваченный а атомах замороженного неона. Один из авторов исследования Дафей Джин заявил, что такую платформу можно относительно легко разработать при низких затратах.

В работе указано, что новый кубит на основе электрона в замороженном неоне является стабильным в течение длительного периода времени (около одной секунды), он очень устойчив к помехам, а также быстро переходит из одного состояния в другое (примерно за одну миллиардную долю секунды или наносекунду).

Физики разработали экспериментальное устройство, которое называется сверхпроводниковый микроволновый резонатор. Это устройство помогает считывать состояние кубита и анализировать, насколько хорошо он работает.

«С помощью этой платформы мы впервые достигли сильной связи между одним электроном в почти вакуумной среде и одним микроволновым фотоном в резонаторе. Это открывает возможность использовать микроволновые фотоны для управления каждым электронным кубитом и связывать многие из них в квантовом процессоре», — объяснил Сяньцзин Чжоу из Аргоннской национальной лаборатории.

Исследование провели в так называемом рефрижераторе растворения, — научном приборе, который может снизить температуру до 10 миллиградусов выше абсолютного нуля или около минус 273,15 градуса по Цельсию.

Это означает, что квантовые процессоры все еще очень далеки от их использования в любой из сфер человеческой жизни. В то же время, даже такие ранние разработки доказывают, что технология очень многообещающая, и она может поистине изменить мир компьютерных вычислений.

Квантовый апокалипсис

Наряду со всеми перспективами квантовых компьютеров, исследователи также выделяют возможные негативные последствия этого изобретения.

Дело в том, что полноценный квантовый в буквальном смысле разрушит все достижения криптографии, которыми мы пользуемся сегодня.

Предполагается, что с помощью квантовых вычислений можно будет подобрать любые ключи шифрования для современных криптографических протоколов за считанные минуты. Это и называют квантовым апокалипсисом.

«Все, что мы сегодня делаем в интернете — от покупок и банковских переводов до взаимодействий в соцсетях — все это зашифровано. Однако, когда появится функционирующий квантовый компьютер, который сможет взломать это шифрование… он даст возможность тому, кто его использует, очистить банковские счета и полностью отключать правительственные системы защиты… опустошенными будут даже Биткоин-кошельки», — говорил Харри Оуэн, директор по стратегии компании PostQuantum, которая занимается пост-квантовой криптографией.

По некоторым прогнозам, рабочие квантовые компьютеры могут появиться уже в ближайшем десятилетии. А Национальный институт стандартов и технологий США заявлял о планах выпустить первый стандарт квантово-устойчивой криптографии в 2022 году.

Прототипы квантовых компьютеров также разрабатывают в Google, Microsoft, Intel, IBM и других компаниях. Но эти компании по-прежнему считают, что кубиты станут полезным дополнением к традиционным битам, а не уничтожат их.

Кубиты на службе военных

Очевидно, вокруг темы квантового апокалипсиса и квантовых компьютеров в принципе существует много теорий заговора.

Но есть и некоторые реальные факты: например, бывший сотрудник ЦРУ Эдвард Сноуден публиковал данные, согласно которым Национальное агентство безопасности США еще в 2013-м выделило около $80 млн на создание квантового компьютера, который сможет обойти большинство типов современной криптографии.

«Документы указывают на то, что Агентство проводит некоторые исследования в больших экранированных помещениях, известных как клетки Фарадея, которые предназначены для предотвращения проникновения и выхода электромагнитной энергии. Они могут использоваться для проведения очень чувствительных экспериментов по квантовым вычислениям», — писала газета The Washington Post.

Учитывая, что квантовый компьютер сможет легко взломать самые надежные инструментов шифрования сообщений, финансовых транзакций и любых схем цифровой подписи, — первая страна, которая разработает этот компьютер, получит почти неограниченную власть над современным цифровым миром.

Возможно поэтому квантовое программирование находится среди ключевых пунктов в Стратегии военно-гражданского синтеза Коммунистической партии Китая, которая предполагает превращение Народно-освободительной армии в «вооруженные силы мирового уровня» к 2049 году.

«Доминирование Китая в области искусственного интеллекта, машинного обучения, 5G и квантовых вычислений предоставит огромное преимущество в будущих конфликтах. Военные, которые могут быстрее передавать данные и ускорять процесс принятия решений, переиграют своего противника», — писал исследователь государственной политики и национальной безопасности США из Лексингтонского института Дэниел Гур.

Вместе с ленд-лизом для Украины, на днях президент США Джо Байден также подписал Меморандум о национальной безопасности, направленный на «сохранение лидерства США в области квантовых информационных наук и снижение рисков, связанных с квантовыми вычислениями для национальной безопасности».

«Квантовый компьютер может поставить под угрозу гражданскую и военную связь, а также подорвать системы наблюдения и контроля за критически важной инфраструктурой. Защита № 1 от угрозы квантовых вычислений — это внедрение квантово-устойчивой криптографии в наши самые важные системы», — заявил глава Кибернетического командования США и генерал армии США Пол Мики Накасоне.

Однако, некоторые эксперты предполагают, что Китай уже вырвался вперед в квантовой гонке против США.

И, как вы могли заметить, ведущий автор вышеупомянутого исследования об электронах замороженного неона — выходец из КНР и выпускник китайского Университета Нанджунга Сяньцзин Чжоу.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях Facebook, Telegram и Instagram.

Показать ещё новости
Радіо НВ
X