Работы в области квантовых технологий

Работы в области квантовых технологий

Выпуск 6 (6705) от 26 марта 2020 г.
РУБРИКА: КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Недавно корпорация Google заявила о достижении превосходства в области квантовых технологий. Иными словами, приближается вероятность создания квантового компьютера первого поколения, который сможет мгновенно расшифровывать конфиденциальные данные в сфере национальной безопасности, банковской деятельности, медицины и т. д. Соответственно, растут опасения, что цифровая информация граждан – ​сообщения WhatsApp, личные электронные письма, медицинская информация или банковские транзакции – ​может стать уязвимой для кибератак. Ввиду этого меры обеспечения безопасности становятся все более важными.

Ученые, занятые в общеевропейской инициативе «Обеспечение лидерства в сфере квантовых технологий» (Quantum Technology (QT) Flagship, стоимость проекта – ​1 млрд евро) разработали опытные образцы ИС, способных при использовании протоколов квантового шифрования создать наиболее безопасный способ передачи конфиденциальной информации через Интернет. Инициативу QT Flagship поддерживают четыре консорциума, работающие в области повышения безопасности данных:

консорциум «Средства связи на основе непрерывно-переменной квантовой информации (Continuous Variable Quantum Communications, CiViQ), разработавший эффективные протоколы квантового распределения ключей (QKD) для защиты критической цифровой информации;

консорциум QRANGE, создавший квантовые генераторы случайных чисел, которые могут быть реализованы в подобных протоколах;

консорциум UNIQORN, ищущий способы миниатюризации QKD вплоть до масштаба кристалла ИС для облегчения их интеграции в любое потребительское устройство;

консорциум «Альянс квантового Интернета» (Quantum Internet Alliance, QIA), стремящийся интегрировать работы трех других консорциумов (аппаратное и программное обеспечение) для построения квантового Интернета будущего.


Квантовая кибербезопасность

Руководствуясь законами квантовой физики, ученые консорциума CiViQ используют QKD – ​основанный на видимом излучении защищенный метод обмена кодами шифрования (или «ключами») между двумя объектами. Это безопасное шифрование нельзя перехватить, им нельзя манипулировать, – ​иначе говоря, данные не поддаются взлому. QKD работает путем передачи фотонов по оптоволоконному кабелю от одного объекта к другому. Любая попытка прочитать или скопировать фотонные данные изменит их квантовые свойства, исказит информацию и даст знать отправителю и получателю, что третья сторона попыталась перехватить сообщение.

В настоящее время частные лица, промышленные и коммерческие предприятия и государственные ведомства используют сети для передачи конфиденциальных данных в различных чувствительных областях, таких как медицина, финансы, оборона и т. д. Технология QKD консорциума CiViQ способна обеспечить широкомасштабное развертывание и интеграцию в современные телекоммуникационные сети физических принципов квантовой механики и, как следствие, – ​долгосрочную и надежную защиту данных.

Разработчики рассчитывают в 2020 г. провести испытания опытных образцов на уровне реальных оптических сетей, а также продолжить в лабораторных условиях разработку еще более совершенных систем, характеризующихся более высокими производительностью и степенью интеграции.

Подход консорциума CiViQ отличается от предыдущих проектов – ​спецификации технологии QKD определяются потребностями конечного пользователя. Понимание квантовых потребностей конечных пользователей означает, что CiViQ может впервые интегрировать технологию QKD в существующие телекоммуникационные сети без необходимости создания отдельной квантовой коммуникационной инфраструктуры.


Действительно случайные числа

Для генерации кодов шифрования, защищающих данные, используются случайные числа. Однако компьютеры не способны генерировать «чистые» случайные числа: они следуют шаблону, а потому предсказуемы, что создает возможности для взлома хранящихся данных и передаваемых сообщений. Для решения проблемы слабых мест, связанной с генерируемыми компьютером псевдослучайными числами, консорциум QRANGE разрабатывает решения следующего поколения, создавая устройства с квантовым генератором случайных чисел (QRNG), которые будут дешевле, быстрее и безопаснее.

Микросхемы QRANGE обеспечивают высокую безопасность данных, генерируя миллионы бит в секунду, что позволяет создавать невзламываемые коды шифрования. В перспективе их можно будет интегрировать в любые устройства, использующие сети связи, – ​например, смартфоны, компьютеры или даже автомобили.

Хотя технология QRNG вполне доступна уже сейчас, из-за своих размеров и стоимости реализации она по-прежнему остается коммерчески неподъемной для многих приложений. Разработанные консорциумом QRANGE недорогие средства QRNG, напротив, могут быть размещены в повседневных приборах, таких как телефоны и ноутбуки, и в автомобилях. Кроме того, эти средства отличаются легкостью интеграции в существующие системы, так как изготовляются по стандартной КМОП-технологии.

В рамках проекта изучаются три подхода, на основании которых предполагается создать как минимум три различных опытных образца. Принципиально важно генерировать действительно случайные числа: любое отклонение может отрицательно повлиять на моделирование или поставить под угрозу безопасность.

Разработчики, реализующие первый подход, основной целью считают уменьшение размеров опытных образцов, что позволит удешевить генерацию случайных чисел, а также облегчить возможность интеграции новых приборов. Их задача – ​приспособить технологию практически к любому устройству.

Второй подход призван достичь существенного увеличения быстродействия. Разработчики стремятся создать генератор случайных чисел, основанный на интерференции лазерных импульсов со случайным фазовым соотношением. Такой метод может позволить достичь скорости передачи данных до 10 Гбит/с.

Наконец, третий подход предполагает разработку самотестирующихся QRNG, что позволит непрерывно оценивать генерируемую энтропию с небольшими допущениями.


Миниатюризация

Современные квантовые системы связи зачастую слишком велики, громоздки и дороги для массового рынка. Поэтому проект UNIQORN разрабатывает подключаемые квантовые устройства, которые можно миниатюризировать до уровня небольших и надежных фотонных ИС.

Разрабатывая на основе квантовых технологий доступные платформы типа «система-на-кристалле», специалисты консорциума UNIQORN намерены добиться миниатюризации технологии QKD и других приложений квантовой связи. Решение этой задачи будет означать возможность создания подключаемых квантовых устройств для любых целей. В конечном счете современные сложные системы, формируемые на макетных платах, будут превращены в ИС миллиметрового размера, пригодные для массового внедрения.

Одна из ключевых целей организаторов инициативы QT Flagship – ​увидеть, как многие компоненты, разрабатываемые в рамках проектов, финансируемых из ее бюджета, становятся важными элементами квантового Интернета. С этой точки зрения работы консорциума QIA направлены на создание сети для передачи квантовой информации по всей Европе.

Представители Координационного офиса инициативы QT Flagship отмечают, что благодаря инвестициям в размере 1 млрд евро в течение следующих 10 лет европейские ученые получают возможность разрабатывать различные перспективные приложения, такие как QRNG или QKD. Возможно, впервые в истории вычислительной техники возникает ситуация, когда средства противодействия вредоносным атакам разрабатываются до проведения первой такой (квантовой) кибератаки. В целом, в рамках I этапа реализации инициативы QT Flagship, поддерживающего крупномасштабные исследовательские и инновационные проекты, уже реализуются 20 программ на общую сумму в 132 млн евро (на момент запуска). Сроки реализации I этапа – ​с октября 2018 по сентябрь 2021 г. [1].

 

Рост инвестиций в квантовые технологии

По оценкам очередного исследования фирмы Yole Développement, объем рынка квантовых технологий, включая такие сектора, как квантовые вычисления, криптография и использование квантовых датчиков, в период 2018–2030 гг. увеличится с 480 млн до 3,2 млрд долл. Соответственно, среднегодовые темпы роста в сложных процентах (CAGR) за прогнозируемый период составят 17%. Рынок аппаратных средств квантовых вычислений на сегодня составляет около 30 млн долл., в 2030 г. он увеличится до 650 млн. При этом стоимость квантовых вычислений как услуги (Quantum as a Service, QaaS) в 2030 г. достигнет 1,37 млрд долл.

Ведущие страны мира осознают возможности, открывающиеся благодаря квантовым технологиям. Исследования в этой области уже становятся национальным приоритетом для ряда стран, осуществляющих значительные инвестиции в соответствующие проекты. Так, КНР объявила об инвестициях в размере 10 млрд долл., США – ​1,2 млрд долл. в течение пяти лет, а ЕС – ​1,2 млрд евро в течение 10 лет.

Данные и каналы их передачи сегодня стали ареной борьбы, сосредоточенной как на обеспечении конфиденциальности, так и на получении несанкционированного доступа. В то же время технологии больших данных нуждаются в новых способах поиска и обработки информации. В этом контексте, вероятно, потребуются новые методы вычислений, а также сенсорные и сверхзащищенные методы передачи. Кроме того, сегодня мир сталкивается с огромными проблемами в области экологии, безопасности и здравоохранения, требующими новых решений. Увеличение трафика данных и постоянно растущее число параметров, которые необходимо учитывать, бросает вызов классической полупроводниковой промышленности.

Закон Мура, который управлял микропроцессорной промышленностью более 50 лет, вскоре может достичь своего предела. Квантовые компьютеры, основанные на принципах квантовой механики, станут настоящими разрушителями сформировавшейся экосистемы и, как ожидается, выйдут далеко за пределы современных вычислений, откроют новые возможности, особенно в интенсивных вычислениях. Однако квантовые вычисления не имеют отношения к продолжению действия закона Мура или развитию технологий искусственного интеллекта. Это совершенно новый, прорывной подход, основанный на применении принципиально нового оборудования и программного обеспечения.


Что такое кубит?

Квантовый мир заметно отличается от привычной нам реальности. В этом царстве атомных масштабов явления происходят со скоростью света. Основной строительный блок квантового компьютера – ​кубит. Кубит работает в многомерной вселенной, его собственные состояния соответствуют поверхности так называемой сферы Блоха, а логические состояния – ​полюсам этой сферы. Проще говоря, кубит не является двоичным. Он не просто кодирует 1 или 0, как это делает бит, но представляет собой суперпозицию 1 и 0 – ​подобно тому, как кот Шредингера является одновременно и живым, и мертвым. Таким образом, набор из n кубитов будет кодировать суперпозицию из 2n возможных квантовых состояний. В общем случае квантовый компьютер с n кубитами может находиться в любой суперпозиции с количеством состояний до 2n – ​для сравнения, обычный компьютер может находиться только в одном из этих 2n состояний одновременно. Соответственно, открываются гораздо более мощные вычислительные возможности. Но нужно помнить, что «…квантовый компьютер так же отличается от классического компьютера, как классический компьютер от абака» (Билл Филипс, лауреат Нобелевской премии по физике).


Квантовые компьютеры и не только

Квантовые технологии включают в себя не только вычисления, но и криптографию, распознавание и программное обеспечение. Конечно, наибольший интерес со стороны научно-исследовательского сообщества и сообщества инвесторов сегодня вызывают квантовые вычисления, но и другие квантовые технологии не остаются в стороне. Наиболее зрелой из них является квантовая связь (по крайней мере для коротких расстояний), в то время как рынки квантовых датчиков и часов все еще остаются небольшими. Тем не менее и криптография, и датчики извлекают выгоду из текущего ажиотажа вокруг квантовых компьютеров – ​к примеру, возникает все больше и больше перспективных применений квантовых датчиков в геофизике.

Квантовые компьютеры бывают двух типов. Квантовые нормализаторы (quantum annealers), такие как приборы фирмы D-Wave, присутствуют на рынке уже несколько лет и представляют собой квантовые компьютеры, предназначенные для решения задач оптимизации, в то время как «универсальные» квантовые компьютеры могут решить любую проблему. Сегодня рынок невелик, поскольку лишь немногие компании могут позволить себе огромные затраты, связанные с разработкой квантового компьютера. За семь лет D-Wave выпустила четыре поколения квантовых нормализаторов, последнее поколение способно обрабатывать 2 тыс. кубитов. Кроме нее универсальные квантовые компьютеры разрабатывают такие компании, как Google, IBM, Rigetti, IonQ, Intel и ATOS (см. рисунок). В сентябре 2019 г. огромный резонанс вызвало заявление Google о демонстрации квантового превосходства (53-кубитная машина с 253 состояний). Конкуренция становится все жестче. В декабре 2019 г. Intel представила новый процессор с криогенным управлением под кодовым названием Horse Ridge, который ускорит разработку систем квантовых вычислений. Устройство было создано совместно Intel Labs и QuTech (совместное предприятие Делтфского технического универитета, Нидерланды, и TNO) и изготовлено с использованием 22‑нм FinFET-технологии Intel. Это большое достижение – ​процессор может соединять и контролировать несколько кубитов одновременно, что представляет собой важную возможность, необходимую для построения крупномасштабной коммерческой квантовой системы [2].



Источник: Yole Développement

Маршрутная карта развития квантовых компьютеров (по числу кубитов)


Квантовая петля

Специалисты Аргоннской национальной лаборатории и Чикагского университета провели 11 февраля 2020 г. масштабный эксперимент. Была испытана «квантовая петля» – ​парная линия связи, берущая начало в Лемонте (шт. Иллинойс) и проходящая по 26-мильному (41,8 км) круговому маршруту через несколько западных пригородов Чикаго. Было доказано, что благодаря использованию уникальных свойств квантовой механики такая связь способна практически мгновенно «телепортировать» информацию на большое расстояние.

Также 11 февраля Белый дом объявил о финансировании и стратегическом видении развертывания квантовых сетей в США. План предусматривает совместную работу компаний и национальных лабораторий в течение следующих пяти лет, чтобы продемонстрировать на основе достижений фундаментальной науки и ключевых технологий перспективы создания квантовых сетей, а в течение следующих 20 лет – ​создать квантовые интернет-каналы, открывающие новые возможности, недоступные классическим технологиям [3].


1. Happich Julien. EU-funded Project Promises Unhackable Quantum Encryption. EE News, February 24, 2020: https://www.eenewseurope.com/news/eu-funded-project-promises-unhackable-quantum-encryption?news_id=125831 

2. Mounier Eric. Quantum Technologies Are Speeding Up to Commercialization, but the Road to a Quantum Computer Is Still Tortuous. i-Micronews, January 30, 2020: https://www.i-micronews.com/quantum-technologies-are-speeding-up-to-commercialization-but-the-road-to-a-quantum-computer-is-still-tortuous/?utm_source=ZohoCampaigns&utm_campaign=iMN_31Jan2020_Asia&utm_medium=email 

3. Pell Rich. Quantum Loop Entangles Photons over 52-mile Fiber Network. Smart2.0, February 20, 2020: https://www.smart2zero.com/news/quantum-loop-entangles-photons-over‑52-mile-fiber-network

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ