Китай берет первенство в гонке технологий квантовых вычислений

Небольшая заметка американского издания о вооружениях и обороне о рекорде китайского квантового компьютера на фотонах. Американское издание хотя и отмечает успехи китайцев в патентах, но традиционно берется предположить, что успехи Китая основаны на полученных не совсем публично технологиях США. Тем не менее китайская SCMP в это же время публикует ряд статей о достижениях китайских ученых в квантовых вычислениях.

Недавнее заявление Китая о том, что ему удалось решить сложную вычислительную задачу, делает первенство КНР в квантовых вычислениях более очевидным.

В 2019 году Гугл заявил, что 53-кубитный процессор Sycamore решил задачку, которую традиционный суперкомпьютер решает 2,5 дня, за рекордные 3,3 минуты.

В октябре 2021 года китайский 66-кубитный компьютер Zuchongzhi -2 решил эту же задачу в 1 млн раз быстрее. Процессор был разработан учеными Научного центра по исследованию квантовой информации и квантовой физики Китайской академии (Chinese Academy of Sciences Center for Excellence in Quantum Information and Quantum Physics) совместно с Шанхайским институтом технической физики и Шанхайским институтом микросхем и ИТ.

Обычные суперкомпьютеры, например, используются армией США и 56-м исследовательским институтом НОАК* для проведения сложных симуляций для проектирования оборудования, моделирования процессов и сигналов, способных обнаружить цели и точки интереса, а также для анализа озера данных, чтобы уловить скрытые тренды и взаимосвязи. Некоторые задачи суперкомпьютеры все же быстро решить не могут, так как суперкомпьютерам нужно время, чтобы переключаться между 1 и 0.*

*НОАК – Народно-Освободительная Армия Китая

* Классический процессор (не квантовый) состоит из транзисторов, они могут пропускать или не пропускать ток. Транзистор может быть в состоянии 1 или 0, что и является БИТом информации. Одновременно быть в состоянии 1 и 0 обычные компьютеры не могут.

В квантовых компьютерах используются кубиты, они принципиально отличаются от обычных транзисторов. Их главное свойство — они способны находиться одновременно в 2 состояниях, а именно в особом состоянии — суперпозиции, то есть они могут быть одновременно 0 и 1.

Сверхпроводящие квантовые компьютеры могут преодолевать физические ограничения, создавая суперпозицию значений 0 и 1. Обычный компьютер может быть в состоянии 1 или 0. Однако при экстремально низких температурах физические свойства материи претерпевают существенные изменения.

Сверхпроводящий суперкомпьютер создает кубиты благодаря новым свойствам, которые не ограничены в обработке информации, что типично для обычных компьютеров. Кубиты могут быть в позиции 0 и 1 одновременно. Это значит, что обработка информации значительно возрастает и позволяет решить такие ранее неразрешимые задачки как расшифровка сложного кода, лучше обучать ИИ и внедрять более быстрое машинное обучение. Также будет возможно изобрести новые виды материалов, химические формулы и лекарства.

Мировая наука и военная индустрия тратят миллиарды долларов в гонке к первенству в квантовых вычислениях, чтобы решить эти сложные задачи.

Китай добился значимых успехов в последние годы. В 2020 году Китайский университет науки и технологий, альма матер ведущего специалиста в области квантовых вычислений Pan Jianwei, совершил первую квантовую спутниковую передачу данных. Спутник Micius был использован для создания сверхзащищённой связи двух наземных станций, которые разделены на более чем 1 000 милей (1 600 км).

В октябре 2021 года Pan Jianwei заявил, что процессор Jiuzhang 2 (на фотонах, а не на сверхпроводниках) смог решить задачу, которую обычный компьютер решает за 30 лет, за 1 миллисекунду. Этот прорыв знаменует новый рекорд скорости процессоров, причем процессоров именно на фотонах*. Квантовый компьютер, разработанный на суперпроводниках, страдает от нестабильности и способен совершить много ошибок. Однако, фотонные суперкомпьютеры также имеют свои недостатки. В квантовом компьютере сложно увеличить количество фотонов из-за их нестабильности.

Посмотрим, какой суперкомпьютер будет стандартом.

* Компьютер на полупроводниках – это кремниевая технология. Обработка и передача информации происходит за счет потока электронов. Однако эта технология имеет свои ограничения. Размер современных электронных устройств достиг нескольких десятков нанометров и приближается к своему критическому значению, поскольку на таких масштабах все большую роль начинают играть квантовые явления. Кроме того, в таких миниатюрных элементах выделяется гигантское количество тепла, соотв-но, его надо охлаждать.

Альтернативой электронным вычислениям являются фотонные, в которых для передачи и обработки информации используют не электроны, а фотоны.

Стоит отметить, что квантовые фотонные компьютеры могут работать только в специальных защищенных условиях короткий период времени над специальными задачами. И они делают ошибки.

Pan Jianwei, профессор Университета науки и технологий Китая в Hefei: «Следующий этап нашей работы – научиться корректировать ошибки квантового компьютера. На это уйдет от 4х до 5ти лет тяжелой работы».

Long Guilu, изобретатель прямой безопасной квантовой передачи сообщений, и его команда заявили о новом рекорде в передаче информации: они провели безопасную передачу данных на расстоянии более 100 км (162 мили).

Команда Long Guilu признает, что скорость передачи довольно низкая - 0,54 бита в секунду. Но это все равно значительный рывок вперед по сравнению с рекордом 2020 года - тогда передача сообщения прошла на расстоянии 18,5 км.

Long является со-лидером исследовательской команды Университета Tsinghua и вице-президентом Китайской академии квантовых наук. «Технология готова для интеграции уже с имеющимися методами шифрования данных, чтобы сформировать безопасную сеть с классическим ретранслятором. Если мы заменим часть того интернета, что мы имеем сегодня, и который больше всего подвергается атакам с целью прослушки, то мы сделаем передачу информации более безопасной».

Long: Безопасная передача аудио и текстовых сообщений по квантовым каналам возможна на расстоянии 30 км.

Например, пароль безопасности к банковскому счету будет безопасно передаваться между двумя машинами на расстоянии 90 км по трем квантовым 30-километровым каналам, соединенным друг с другом. Эти квантовые каналы будут более безопасными.

Long: Любая атака на канал с целью прослушки будет обнаружена, если она предпринята во время передачи сообщения, так как данные защищаются классическими методами шифрования с ретранслятором.

В этом году Long и его команда опубликовали свое исследование в журнале Light: Science & Applications. Журнал издается совместно с Changchun Институтом оптики, точной механики и физики. «[Наш] эксперимент показывает, что междугородняя квантовая безопасная передача данных по оптоволокну вполне реализуема с применением современных технологий. Эта технология имеет большой потенциал для безопасной беспроводной передачи данных 6G».

Создание междугородной квантовой сети на основе защищенных ретрансляторов является одной из целей Пекина в его 14-м плане -пятилетке, который заканчивается в 2025 году.

Устаревание традиционных методов обеспечения безопасности коммуникаций, которые используют шифрование на основе сложных вычислений, стало заметным с 1994 года. Как раз в 1994 американский математик и сотрудник американской телекоммуникационной корпорации AT&T Peter Shor выяснил, что квантовый компьютер будет легко находить простые множители огромных чисел. Поэтому использование квантового компьютера с несколькими тысячами кубитов делает возможным взлом традиционных криптографических систем с открытым ключом (являющийся произведением двух больших простых чисел).

Чтобы справиться с потенциальными квантовыми атаками, классические криптографические алгоритмы разработали так называемую пост-квантовую криптографию* и систему распределения квантовых ключей.

* Постквантовая криптография — новые криптографические алгоритмы, устойчивые к кибератакам с применением квантовых компьютеров. С 2016 года национальный институт стандартов и технологий США (NIST) занимается отбором наиболее оптимальных постквантовых алгоритмов на международном уровне, окончательный выбор планируется к 2023 году.

Команда Long’а: «Быстрый прогресс квантовых вычислений вызывает беспокойство относительно безопасности традиционных способов передачи данных».

Достижения Китая являются результатом упорной работы над квантовыми вычислениями. Китай инвестирует $10 млрд в эту область. Инвестиции Китая в R&D увеличены на 7% в прошлом году. США выделило только $1,2 млрд долларов на квантовые вычисления в 2018 году в рамках национальной стратегии. В прошлом году Сенат принял закон о создании Управления по технологиям и инновациям в Национальном научном фонде и выделил дополнительные $29 млрд на исследования в области квантовых вычислений и ИИ с 2022 по 2026 гг. Однако до сих пор идет утряска нового закона с похожим законом, принятым Палатой представителем в прошлом месяце.

Китайские ученые получили больше патентов в квантовых технологиях, чем американцы. У американцев больше патентов по квантовым вычислениям*. Хотя ходят слухи, что китайцы получили патенты благодаря украденным американским технологиям. Год назад Министерство торговли объявило санкции против семи китайских компаний, занимающихся суперкомпьютерами, обвинив их в связи с НОАК.

*Квантовые технологии – шире, чем просто квантовые вычисления. Квантовые технологии — это современные технологии, основанные на явлениях квантовой физики, которые не могут быть объяснены в рамках классических теорий, таких как законы движения Ньютона, уравнения термодинамики и уравнения Максвелла для электромагнетизма. Ряд уже существующих технологий (например, микроэлектроника, полупроводниковые оптические приборы, лазерная техника и т. д.) используют достижения квантовой физики и широко распространены в настоящее время. Основная отличительная черта современных квантовых технологий — выход на новый технологический уровень, позволяющий манипулировать одиночными квантовыми объектами — атомами, ионами, электронами, фотонами и др.

Три субтехнологии сегодня составляют основы квантовых технологий — квантовые вычисления, квантовые коммуникации и квантовая сенсорика.

Мы все еще очень далеки от реального появления квантовых вычислений. Сегодня большинство квантовых компьютеров способны взаимозависимо работать с 50 кубитами. Чтобы использовать весь потенциал квантовых вычислений и сломать код, например, нужно работать с тысячами кубитов.

Но прогресс все же есть. IBM заявила, что создала 127-кубитный квантовый компьютер в ноябре 2021 года. Компания планирует создать 400-кубитный компьютер в этом году, и 1000-кубитный- в 2023 году.

Ссылка на статью: https://www.defenseone.com/ideas/2022/04/china-may-have-just-taken-lead-quantum-computing-race/365707/

Подробно про передачу данных с спутником Micius: https://www.scientificamerican.com/article/china-reaches-new-milestone-in-space-based-quantum-communications/

Рекорд исследователя Pan Jianwei: https://www.scmp.com/news/china/science/article/3153727/china-launches-worlds-fastest-programmable-quantum-computers

Про команду доктора Long Guilu: https://www.scmp.com/news/china/science/article/3174426/quantum-secure-communication-breakthrough-china-scientists