Цифровая революция. Преимущества и риски. Искусственный интеллект и интернет всего

Первое применение квантовой связи называется «квантовое распределение ключей» (QKD), которое использует квантовые частицы для обмена криптографическими ключами. В QKD фактические данные передаются по традиционной инфраструктуре связи с использованием обычных битов, однако криптографические ключи, необходимые для дешифрования данных, передаются отдельно с использованием квантовых частиц. В QKD уже ведутся обширные эксперименты с использованием как наземной, так и космической связи. В 2016 году Китай запустил первый в мире спутник квантовой науки «Micius», который продемонстрировал межконтинентальные QKD «земля-спутник» и «спутник-земля», обеспечив видеоконференцию между Пекином и Веной.

«Квантовая телепортация» станет следующим шагом в квантовой коммуникации. В то время как в QKD криптографические ключи распределяются с использованием квантовой технологии, при квантовой телепортации сама информация передается с использованием запутанных квантовых пар. Наибольшее расстояние, на котором к настоящему времени была достигнута квантовая телепортация по оптиковолоконному кабелю, составляет 50 километров, и в ближайшие годы задача состоит в масштабировании квантовой телепортации. Это необходимо, чтобы обеспечить безопасную связь на больших расстояниях.

Конечная цель квантовой связи – создать «квантовый Интернет»: сеть запутанных квантовых компьютеров, связанных сверхбезопасной квантовой связью, гарантированной фундаментальными законами физики. Однако квантовый Интернет не только требует квантовой телепортации на очень большие расстояния, но и требует дальнейшего развития других важных технологий, таких как квантовые процессоры, всеобъемлющий квантовый Интернет-стек, включая Интернет-протоколы и программные приложения квантового Интернета. Это действительно долгосрочные усилия, и, хотя трудно определить, созреет ли эта технология и когда именно, большинство ученых определяют временной горизонт в 10-15 лет.

Квантовые вычисления

Квантовые вычисления значительно увеличат нашу способность решать некоторые из самых сложных вычислительных задач. Фактически, квантовые вычисления отличаются от классических, как классический компьютер отличается от счётов.

Как объяснялось выше, в то время как классические компьютеры выполняют вычисления с использованием двоичных цифр (0 или 1), квантовые компьютеры представляют информацию с помощью квантовых битов (кубитов), которые могут находиться в суперпозиции обоих состояний (О и 1 одновременно).

Поскольку кубиты чрезвычайно чувствительны к внешним возмущениям, чтобы иметь возможность управлять ими, манипулировать ими и использовать их, кубиты необходимо охладить до уровня, чрезвычайно близкого к абсолютному минимуму температуры (или нулю Кельвинов), около 15 милликельвинов. Это холоднее космоса! Фактически, внутри квантового компьютера находится самое холодное место во Вселенной, о котором мы знаем.

Кубиты позволяют квантовым компьютерам выполнять несколько вычислений одновременно, потенциально приводя к огромному увеличению вычислительной эффективности по сравнению с классическими компьютерами. Есть ряд приложений, в которых квантовые компьютеры будут особенно трансформирующими:

– Моделирование физических систем для открытия лекарств и создания новых материалов;

– Решение сложных задач оптимизации в цепочке поставок, логистике и финансах;

– Сочетание с ИИ для ускорения машинного обучения;

– Факторизация целых чисел, позволяющая дешифровать наиболее часто используемые протоколы кибербезопасности (например, RSA, алгоритм асимметричного шифрования, используемый для безопасной передачи данных). Крупные технологические компании, такие как IBM, Google и Microsoft, стремятся к «квантовому превосходству», определяемому моментом, когда квантовый компьютер преуспеет в решении проблемы, которую ни один классический компьютер не мог бы решить за любой возможный промежуток времени.

В октябре 2019 года Google заявила, что достигла квантового превосходства на своем 53-кубитном квантовом компьютере. Однако критики говорят, что проблема, решенная в эксперименте Google, не имела практического значения, и поэтому гонка за квантовое превосходство все еще продолжается.

Современные квантовые компьютеры имеют около 60 кубитов, но дальнейшие разработки быстро сменяют друг друга, а амбиции высоки. В сентябре прошлого года IBM анонсировала план развития своих квантовых компьютеров, включая цель построить к 2023 году квантовый компьютер с 1000 кубитами. У Google есть собственный план по созданию квантового компьютера на миллион кубитов к 2029 году.

Благодаря квантовым компьютерам на 1000 кубитов, так называемым шумным квантовым компьютерам промежуточного масштаба (NISQ), мы уже можем увидеть некоторые ценные практические приложения в области проектирования материалов, открытия лекарств или логистики. Поэтому ближайшие пять-десять лет будут невероятно захватывающими для квантовых вычислений.

Последствия для обороны и безопасности