Квантовий комп’ютер: кому світить аналого-цифрова люстра?
З квантовими комп’ютерами вже не перший рік пов’язують безліч надій і водночас побоювань. На думку оптимістів, вони дадуть новий ривок у сфері обчислювальних технологій і зможуть вирішувати найскладніші завдання, з якими не справляються найпотужніші машини, що нині існують. Песимісти вважають, що пересічним користувачам всі ці кубити в «люстрах» не принесуть нічого, крім нових викликів у галузі криптографії та захисту персональних даних. Про те, як влаштовані квантові комп’ютери, які вже існують до початку 2024 року, і наскільки виправдані страхи перед ними, для читачів ForkLog розповідає Сергій Голубенко.
1965 року американський інженер Гордон Мур вивів закономірність: кількість транзисторів на мікросхемах подвоюється приблизно кожні два роки. Це спостереження згодом підтвердилося — потужність обчислювальних пристроїв досі стабільно зростає за експонентом.
Однак у 2007 році сам Мур припустив, що виявлена ним закономірність скоро перестане працювати – такі закони фізики. Найбільш перспективним виходом із цього глухого кута вже не перший рік називаю квантові обчислювальні системи (КВС), про які ми сьогодні розповімо.
Їх найважливіша відмінність від звичайних комп’ютерів полягає у способі зберігання та обробки інформації. Традиційні машини, побудовані з урахуванням кремнієвих мікросхем, містять мільйони транзисторів. Виконуючи роль мініатюрних «рубильників», кожен із них може бути або у положенні «включено» («1»), або «вимкнено» («0»). Згодом комп’ютер зберігає та обробляє дані, використовуючи двійкову систему (код) та оперуючи бітами даних.
КВС оперують кубитами (квантовими бітами) і можуть бути побудовані різними способами через надпровідні електричні ланцюги або за рахунок окремих іонів, захопленими магнітними пастками.
Для розуміння цього процесу потрібно вийти за рамки звичного сприйняття світу і перенестися у сферу квантового простору, де більший потенціал мають кубити, які мають здатність перебувати одночасно в кількох станах. Це явище називається суперпозицією. Квантовий стан дозволяє кубіту набувати значення не тільки одиниці або нуля, але й будь-якого між ними, а також обидва значення одночасно – зовсім як у уявному експерименті “Кіт Шредінгера“.
І найцікавіше: пригоди ймовірностей значень миттєво припиняються, щойно втручається спостерігач, якому потрібний лише результат «так» чи «ні». Цей дослідник, оператор квантового комп’ютера, з допомогою спеціального алгоритму отримує лише відповідь «1» чи «0». Перебування кубіту в суперпозиції дозволяє КВП паралельно обробляти значно більший обсяг даних, ніж класичний комп’ютер.
Створити один кубит і керувати ним лише частина завдання. Крім суперпозиції, кубити також відчувають «Сплутані квантові стани» – ще одна ключова квантовомеханічна властивість, при якій стан одного кубіту може залежати від іншого. Простіше кажучи, якщо «заплутати» два кубити і відправити один із них, наприклад, на відстань у кілька десятків кілометрів, використовуючи оптоволокно, то вони збережуть зв’язок і знатимуть один про одного все. Це відкриває неймовірні можливості у транспортуванні інформації з урахуванням квантового шифрування. Але ця технологія має слабкі місця: частки мають звичай губитися дорогою, і тому не всі з них приходять до фінішу.
Частинки, що виступають у ролі кубитів, вкрай сприйнятливі до випадкових збуджень – найменших теплових ефектів або електромагнітного поля сусіднього об’єкта. Через це квантовий комп’ютер видає правильну відповідь поки що лише з ймовірністю 98-99%. Для підтримки стабільної роботи кожну пару кубитів поміщають у холодний вакуум, де крім них немає нічого. Виникають питання: як організувати зберігання кубіту і які частинки можуть виступати у ролі?
Розглянемо на прикладі комп’ютера, який використовує як кубіти частинки іонів, наділені квантовою природою. Завдання: надати відповідній природній частинці (у нашому випадку іону) значення «1» або «0», яке він приймає відповідно на північ або південніше від екватора сфери Блоха. Це дозволяє створити «крани», якими можна керувати (змінювати значення ймовірностей усередині частки), використовуючи низькорівневе програмування. А для захоплення такої пари іонів та їх утримання у тісній заплутаності існує спеціальна пастка з електромагнітних полів. В результаті маємо заплутану пару іонів, якою можна керувати, помістивши у холодний вакуум.
У квантових обчисленнях використовують такі технології:
- надпровідні кубити (або струми на кристалах);
- фотонні кубити – генерація за допомогою оптичного обладнання заплутаних квантів світла та керування ними до кількох годин при кімнатній температурі;
- іонні кубити в магнітних пастках – ланцюжок заряджених ядер іонів, які утримуються за допомогою електромагнітних полів у холодному вакуумі;
- твердотільні квантові точки на напівпровідниках , керовані електромагнітним полем або лазерними імпульсами;
- квазічастинки в топологічних квантових комп’ютерах — колективні стани кластерів електронів, «заморожених» фотонів або ферміонів Майорани, які поводяться як частинки всередині напівпровідників чи надпровідників.
Далі слід розібратися в принципах роботи квантових комп’ютерів та показати їхню відмінність від класичних.
Квантовий комп’ютер — це об’єднана аналого-цифрова система, яка працює за принципом «безліч значень ймовірностей» і дозволяє за допомогою заданого алгоритму отримати вибірку з кінцевих реалізацій цього алгоритму. Класичний комп’ютер — це цифрова машина, що обробляє інформацію в дискретній формі як рядок з одиниць і нулів.
Тут виникає ще одне закономірне питання: як отримані аналогові дані перевести у звичну цифрову форму? Використовуючи системи перетворення сигналу, вчені зробили низькорівневе програмування частинок. І в цій галузі тепер вирує серйозна робота: треба зробити так, щоб програміст писав високорівневий код, не маючи додаткових поглиблених знань у фізиці та хімії.
Ще одна актуальна проблема полягає в тому, що квантові комп’ютери на даному етапі мають масивну конструкцію і можуть розміщуватись тільки у великих приміщеннях. Форма «люстри», яку для цих цілей використовують у надпровідникових технологіях IBM та Google, вважається найзручнішою. Ця конструкція складається з безлічі мідних проводів, які поєднують усі частини комп’ютера: підсилювачі сигналу кубитів, надпровідні котушки, квантовий процесор, різні засоби захисту від радіації та електромагнітних хвиль. Причому це все в умовах вакууму. Якщо лабораторія використовує інші технології кубітів, форми конструкцій таких комп’ютерів можуть відрізнятися і навіть нагадувати класичний серверний блок.
Особливі властивості кубитів (надпровідність, надплинність і т. д.) починають проявлятися тільки при температурі, близькій доабсолютному нулю. Для охолодження квантового процесора доводиться використовувати установки з гелієм чи азотом.
Наскільки ж виправданий такий клопіт?
Якщо провести порівняння потенційних обчислювальних потужностей, то в класичному комп’ютері вони пов’язані з кількістю бітів: додавання одного транзистора збільшує пам’ять на 1 біт). У квантовому додавання одного кубіта збільшує пам’ять відразу в два рази. Як ми вже говорили, 1 кубит має всього два стани («0» або «1»), а завдяки заплутаності 10 кубітів мають уже 1024 стани; ну а сотня кубітів має 2 в 100 ступеня станів.
Очевидно, тут є що боротися. Але основне завдання — зберегти належний рівень якості заплутаності нових пар кубітів, оскільки просте зростання їх числа не призведе до підвищення продуктивності комп’ютера і не дасть квантової переваги.
Техгіганти та стартапи: квантові комп’ютери сьогодні
В даний час найбільших успіхів у галузі створення КВС досягли наступні корпорації, державні дослідні центри та молоді незалежні проекти.
IBM
Парк квантових комп’ютерів цієї корпорації вже налічує понад 20 машин, доступ до яких організовано через хмарний сервіс IBM Quantum Experience. У грудні 2023 року Quantum Summit представили перший модульний квантовий комп’ютер IBM Quantum System Two. Він базується на 133-кубітному процесорі Heron, який представники компанії називають найпродуктивнішим у світі. IBM також анонсувала процесор Condor з 1121 кубитом та на 50% більшою щільністю їх розміщення.
У 2019 році співробітники техгіганту заявили про досягнення квантової переваги завдяки 53-кубітному комп’ютеру Sycamore на надпровідниках (щоправда, досягнення було оскаржене IBM). Тест, на думку критиків, був скоріше «показовим виступом» у рамках квантових перегонів. З того часу дослідники змогли додати до показників Sycamore ще 17 кубітів. Тепер він виконує за кілька секунд обчислення, на повторення яких сучасний суперкомп’ютер витратив би 47 років.
У Google, як і IBM, пішли перевіреним шляхом використання класичних мікросхем, впроваджуючи кубити через надпровідники.
Xanadu
Ця канадська компанія навесні 2022 року оголосила про запуск нового квантового комп’ютера Borealis, розгорнувши його в хмарі і надавши загальний доступ. Комп’ютер оснащений 216 фотонними кубитами. Як пише Nature, система успішно подолала бар’єр квантової переваги, закладений алгоритмом. І якщо найпотужнішому сучасному суперкомп’ютеру на виконання цієї операції знадобилося б приблизно 9000 років, Borealis впорався лише за 36 мікросекунд.
Atom Computing
Ця компанія з Каліфорнії створила перший у світі квантовий комп’ютер із 1180 кубитами, використовуючи нейтральні атоми, захоплені лазерами у двомірну сітку. Як результат, у комп’ютері Atom Computing квантові біти здатні працювати без помилок майже хвилину, тоді як аналогічний показник у комп’ютері від IBM становив лише 70-80 мікросекунд.
Науково-технічний університет Китаю
У грудні грудня 2020 року китайські вчені повідомили, що їх комп’ютер Jiuzhang, який працює на заплутаних фотонах, досяг квантової переваги. За 200 секунд вони успішно провели обчислення, які найшвидший у світі цифровий комп’ютер виконав би лише за півмільярда років.
Квантові обчислення та криптовалюти
Існує думка, що квантові комп’ютери в найближчому майбутньому зможуть зламувати блокчейни і, наприклад, знищити біткоін. Ці тривоги небезпідставні, але важливо пам’ятати про два нюанси.
По-перше, загроза більше відноситься до PoW -блокчейн, де під загрозу потрапляє дешифрування хешу. По-друге, шифрування RSA (найпоширеніша альтернатива криптографії еліптичних кривих) може бути квантово-стійким. Хоча коли йдеться про традиційне дешифрування, прийнято вважати навпаки.
Якщо міркувати глобально, багато залежатиме від того, наскільки швидко криптографи у відповідь на потенційні виклики вирішать проблему захисту від квантового злому.
У криптосфері вже є приклади компаній, які заявили про свою повну квантову стійкість: Quantum Resistant Ledger зі своєю криптовалютою QRL, а також технологія розподілу ключів QKD від JPMorgan – для захисту блокчейну від квантових обчислень. Для реалізації квантової стійкості QRL використовує IETF XMSS – схему прямого безпечного підпису на основі хешу з мінімальними припущеннями про безпеку, де XMSS – розширена схема підпису Меркла.
Рух у бік модульних блокчейнів також видається позитивним. Завдяки своїй структурі вони супроводжують простіше впровадження квантових підписів і в майбутньому вирішать проблему розподілу операторів нід для посилення децентралізації та захисту розподілених реєстрів.
Резюмуючи, можна сказати, що об’єднання зусиль блокчейну та квантових обчислень допоможе створити більш безпечні та потенційно революційні обчислювальні рішення, які зрештою дозволять вирішити цілу низку криптографічних та життєвих проблем.
Чи побачимо ми квантовий хардфорк біткоїну чи світовий квантовий інтернет — думаємо, питання часу.