Квантовые компьютеры и квантовая связь

Что такое квантовый компьютер?

Квантовый компьютер — средство вычислительной техники, где в основе работы центрального процессора лежат законы квантовой механики. Такой компьютер принципиально отличается от традиционных ПК, работающих на основе кремниевых чипов.

Это устройство применяет для вычисления не классические алгоритмы, а процессы квантовой природы - квантовые алгоритмы, использующие эффекты квантовой механики, такие как квантовый параллелизм и квантовая запутанность.

Базой для вычислений такого типа служит кубит - система, в которой число частиц аналогично импульсу, а фазовая переменная (энергетическое состояние) – координате. Фазовый кубит был впервые реализован в лаборатории Делфтского университета и с тех пор активно изучается.

В отличие от обычного бита, способного иметь только значения 1 и 0, квантовый бит (кубит) может находиться в суперпозиции этих состояний, то есть одновременно в значении 1 и 0. На практике кубит может существовать в самых разных комбинациях этих значений, что в перспективе позволит создавать сверхбыстродействующие компьютеры. Кубиты станут строительными элементами будущих квантовых компьютеров, способных решать задачи, практически недоступные классическим цифровым компьютерам. Для выполнения вычислений на квантовом компьютере необходимо привести во взаимодействие несколько кубитов, причем таким образом, чтобы они образовали единую квантовую систему. Затем этой системе надо позволить развиваться по законам квантовой механики и спустя определенное время выяснить, в какое состояние она пришла.

С ростом числа объединенных кубитов, вычислительная мощность такой квантовой системы экспоненциально растет. Теоретически это позволяет квантовому компьютеру справляться с задачами, на которые обычному цифровому компьютеру понадобятся миллионы лет. Например, давно известен так называемый алгоритм Шора, позволяющий быстро раскладывать большие числа на простые множители (задача, необходимая для взлома современных шифров). Обычные компьютеры решают эту задачу перебором возможных делителей, поэтому длинные числа современные компьютеры могут обрабатывать годами. Квантовый компьютер справился бы с такой задачей за считанные минуты и даже секунды, в зависимости от производительности.ВТБ внедрил новую российскую платформу по управлению закупками 3.6 т

Первые квантовые компьютеры напоминают старые громоздкие вычислительные системы, они поставляются в больших шкафах высотой около 3 метров и объёмом около 20 куб. м. При этом размеры самого квантового чипа сопоставимы с размерами ногтя большого пальца.

Большую часть остального пространства компьютера занимают системы охлаждения и экранирования. Они предназначены для создания необходимых условий функционирования компьютера и устранения внешних воздействий. Благодаря применению системы охлаждения на базе жидкого гелия температура квантового чипа находится на уровне −273 С.

Почему квантовые компьютеры имеют значение?

Объем ежедневно создаваемых данных просто огромен, и современные компьютеры уже не всегда успевают за такими объемами. Современные суперкомпьютеры по-прежнему слишком медленны для выполнения некоторых наиболее важных научных задач, например, тестирование воздействия новых лекарственных препаратов на молекулярном уровне.

Благодаря возможности выполнять очень сложные вычисления значительно быстрее, или даже моделировать эти лекарства на молекулярном уровне, квантовые компьютеры способны предоставить такой необходимый рост производительности и скорости. Большинство специалистов согласны с тем, что квантовые компьютеры – это наш шанс справиться с вызовами 21 века.

Вторая квантовая революция

Первая квантовая революция произошла во второй половине XX века и привела к появлению лазеров, транзисторов, ядерного оружия, а впоследствии – мобильной телефонной связи и интернета. Технологии первой квантовой революции применяются в компьютерах, мобильных телефонах, планшетах, цифровых камерах, системах связи, светодиодных лампах, МРТ-сканерах, сканирующих туннельных микроскопах и т.д.

Объем рынка соответствующей продукции в мире составляет $3 трлн в год. При этом «закон Мура», согласно одному из изложений которого, производительность процессоров должна удваиваться каждые 18 месяцев, больше не работает.

С конца XX века мир находится на пороге второй квантовой революции. В первой квантовой революции технологии и приборы строились на управлении коллективными квантовыми явлениями.

Во второй квантовой революции технологии будут строиться на способности управлять сложными квантовыми системами на уровне отдельных частиц, например, атомов и фотонов. Технологии, основанные именно на таком высоком уровне контроля над индивидуальными квантовыми объектами, принято объединять термином квантовые технологии.

Научные исследования квантовых вычислений

Основная статья: Научные исследования квантовых вычислений

Мировой рынок квантовых компьютеров

Основная статья: Квантовые компьютеры (мировой рынок)

Развитие квантовых компьютеров в странах

Квантовые компьютеры и сети в России

Основная статья: Квантовые компьютеры и сети в России

Российский квантовый центр (РКЦ)

Основная статья: Российский квантовый центр (РКЦ, Russian Quantum Center, RQC)

Квантовая коммуникационная платформа цифровой экономики

Основная статья: Квантовая коммуникационная платформа цифровой экономики

Квантовый компьютер "Росатома"

Основная статья: Квантовые технологии Росатома

Квантовые технологии в РЖД

Основная статья: Квантовые технологии в РЖД

Квантовые компьютеры в США

• Квантовые компьютеры в США
• Национальная квантовая инициатива в США (National Quantum Initiative)
• Квантовые компьютеры IBM

Квантовые компьютеры в Китае

Основная статья: Квантовые компьютеры в Китае

Квантовые вычисления в медицине

Основная статья: Квантовые вычисления в медицине

Квантовый интернет

Основная статья: Квантовый интернет

Квантовая и постквантовая криптография

• Квантовая криптография
• Постквантовая криптография

Квантовая физика

Основная статья: Квантовая физика

Интеграция в ИТ-системы организаций

2025: Квантовые технологии невозможно интегрировать в существующие ИТ-комплексы из-за принципиальных различий в архитектуре

На начало 2025 г квантовые технологии невозможно адаптировать и интегрировать в существующие ИТ-комплексы из-за принципиальных различий в архитектуре. Переход на квантовые технологии потребует полного переосмысления архитектуры вычислительных систем и их интеграции с существующими инфраструктурами. Это включает разработку новых протоколов связи, методов взаимодействия между классическими и квантовыми системами/узлами/комплексами, а также создание специализированных языков программирования для оптимизации квантовых алгоритмов.

2025: Вышло первое в мире оборудование для защиты от киберквантовых атак

В конце января 2025 года швейцарская компания Sealsq представила первое в мире оборудование, способное противостоять и классическим способам взлома, и атакам с помощью квантового компьютера. Аппаратная платформа получила название QS7001. Подробнее здесь.

2024

Технические трудности в создании квантовых процессоров

Кубиты, в отличие от классических битов (ноль и единица), могут одновременно находиться в нескольких состояниях, что обеспечивает огромный параллелизм вычислений. Однако создание квантовых систем сопряжено с рядом технических трудностей:

1. Чувствительность кубитов. Внешние воздействия могут разрушить квантовые состояния (декогеренция). Чем дольше кубит способен сохранять когерентность, тем больше вычислительных операций можно успеть выполнить. Добиться долгой когерентности сложно, поскольку нужно предельно изолировать систему от внешних шумов и при этом иметь доступ к ней для проведения логических операций.

2. Температурные условия. Для работы большинства квантовых процессоров требуются температуры, близкие к абсолютному нулю. При этом нужно иметь возможность точного и быстрого управления состояниями кубитов (посредством электромагнитных импульсов, лазерного облучения или микроволновых сигналов) с очень высокой точностью.

3. Материалы и технологические ограничения. Разработка подходящих материалов, сверхпроводниковых схем, ионных ловушек, полупроводниковых квантовых точек или фотонных схем, способных обеспечить стабильность кубитов – это сложная междисциплинарная задача. Необходимы новые подходы в литографии, разработке микроволновой/оптической аппаратуры, криогенных систем, систем контроля и электроники.

4. Коррекция ошибок. Без эффективной квантовой коррекции ошибок долгое вычисление невозможно. Однако реализация алгоритмов квантовой коррекции ошибок требует множества дополнительных логических кубитов (так называемых «кубитов коррекции»), что многократно усложняет и без того непростую конструкцию квантового процессора.

Квантовые процессоры к концу 2024 г не способны безошибочно выполнять алгоритмы - всегда ошибаются, что неприемлемо для вычислений. Фундаментальная проблема заключается в том, что квантовые состояния кубитов чрезвычайно нестабильны и легко подвержены разрушению даже при минимальных внешних воздействиях, таких как тепловой шум или электромагнитные колебания - основа функционирования вычислительной среды сейчас.

Ключевой сложностью, с которой сталкивались разработчики квантовых систем, было поддержание когерентности кубитов — их способности оставаться в суперпозиции квантовых состояний в течение достаточного времени для выполнения сложных вычислений.

В декабре 2014 г чип Willow от Google продемонстрировал экспоненциальное снижение ошибок при увеличении числа кубитов, что стало возможным благодаря внедрению продвинутых методов коррекции ошибок. Это было основным препятствием на пути к созданию прототипов квантовых компьютеров.

С помощью квантовых компьютеров можно легко взломать шифрование биткоина и украсть миллиарды

В середине декабря 2024 года британские специалисты из Школы вычислений Кентского университета обнародовали результаты исследования, говорящие о том, что квантовые компьютеры создают угрозу для криптовалютных платформ. Теоретически квантовые устройства обеспечат возможность взлома шифрования биткоина, что позволит злоумышленникам красть миллиарды долларов. Подробнее здесь

В России запустили Межуниверситетскую квантовую сеть

В конце ноября 2024 года стало известно о работе Межуниверситетской квантовой сети (МУКС), объединившей пять ведущих научно-образовательных учреждений России. Для реализации этого проекта сформирован научно-образовательный консорциум, в который вошли НИЦ «Курчатовский институт», фонд «Иннопрактика», МГУ им. М. В. Ломоносова, МТУСИ, Университет ИТМО, ННГУ им. Н. И. Лобачевского, Самарский университет им. С. П. Королева и Казанский научный центр РАН. Подробнее здесь.

Запуск производства оборудования связи, работающего на фотонных интегральных микросхемах

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» совместно с группой компаний «Элемент» 7 ноября 2024 года объявили о начале производства сверхвысокочастотных генераторов на основе фотонных интегральных микросхем (ФИС), обладающих уникальными характеристиками. Предполагается, что разработка поможет наладить квантовые коммуникации. Подробнее здесь

Выпущен первый в мире коммерческий квантовый процессор с 4400 кубитами

В начале ноября 2024 года компания D-Wave Quantum представила первый в мире коммерческий квантовый компьютер с более чем 4400 кубитами. Производитель полностью завершил калибровку и сравнительный анализ процессора Advantage2, получив многообещающие результаты: новый процессор демонстрирует существенный прирост производительности по сравнению с текущей системой Advantage при решении сложных вычислительных задач клиентов в таких областях, как оптимизация, ИИ и материаловедение. Подробнее здесь.

Классические компьютеры начали побеждать квантовые. Новое открытие разъясняет границы между ними

В конце октября 2024 года исследователи из Центра вычислительной квантовой физики (CCQ) при Институте Флэтайрон сообщили о том, что им удалось успешно использовать классический компьютер для решения задачи, с которой, как считалось ранее, в состоянии справиться только квантовые системы. Достижение, как утверждается, поможет лучше определить границу между возможностями традиционных и квантовых компьютеров.

Участники проекта работали над созданием алгоритмов и кодов для решения сложных квантовых задач с помощью классических компьютеров. В частности, изучалась двумерная квантовая система переворачивающихся магнитов. В квантовых масштабах отдельный магнит может быть ориентирован вверх или вниз, или он может находиться в суперпозиции — квантовом состоянии, в котором он одновременно указывает и вверх, и вниз. То, насколько вверх или вниз направлен магнит, определяет количество энергии, которой он обладает, когда находится в магнитном поле.

Классические компьютеры начали обгонять квантовые. Новое открытие проясняет их границы

В исходном состоянии все магниты были направлены в одну сторону. Затем система была возмущена небольшим магнитным полем, что заставило некоторые магниты перевернуться, что также побудило перевернуться и соседние магниты. Такое поведение — когда магниты влияют на состояние друг друга — может привести к запутыванию, то есть, связыванию суперпозиций. Со временем возросшая запутанность системы затрудняет ее моделирование на классическом компьютере.

Но, как отмечается в работе, в закрытой системе есть только определенное количество энергии, что ограничивает рост запутанности. А это позволяет выполнять моделирование системы с массивом крошечных переворачивающихся магнитов на обычном компьютере, а не только на квантовой платформе, как предполагалось ранее. Причем по производительности традиционный ПК в этом случае может превзойти квантовую систему.^[1]

Самый большой в Европе фотонный квантовый компьютер введен в эксплуатацию

7 октября 2024 года исследователи из Университета Падерборна в Германии объявили о вводе в эксплуатацию самого большого в Европе фотонного квантового компьютера. Система под названием Paderborn Quantum Sampler (PaQS), как ожидается, поможет в решении сложных задач в самых разных областях — от здравоохранения и производства до логистики и финансов. Подробнее здесь

Новый квантовый алгоритм приближает крах шифрования

23 августа 2024 года американские исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) сообщили о разработке нового алгоритма для квантовых компьютеров, который приближает крах традиционного шифрования. В долгосрочной перспективе результаты работы могут способствовать появлению криптографических методов, способных противостоять взлому при помощи квантовых компьютеров. Подробнее здесь

Прорыв в квантовых коммуникациях: Объединен обычный и квантовый интернет

В начале августа 2024 года немецкие исследователи из Ганноверского университета имени Готфрида Вильгельма Лейбница сообщили о прорыве области квантовых коммуникаций. Им удалось объединить обычный и квантовый интернет.

Специалисты предложили приемопередатчик нового типа, который позволяет передавать запутанные фотоны по оптоволокну. Это достижение открывает путь к формированию квантового интернета — сети с высочайшим уровнем защиты информации. Предполагается, что зашифрованные данные в такой системе не смогут декодировать даже высокопроизводительные квантовые компьютеры будущего. В рамках работы ученые продемонстрировали, что запутанные фотоны и лазерные импульсы могут быть переданы по одному оптическому волокну.

Квантовый и обычный интернет объединены

Чтобы квантовый интернет стал реальностью, нам нужно передавать запутанные фотоны по оптоволоконным сетям. При этом мы хотим продолжать использовать оптические волокна для традиционной передачи данных. Наше исследование — важный шаг к объединению обычного и квантового интернета, — говорит профессор Михаэль Куес (Michael Kues), один из участников проекта.

Исследователи показали, что запутанность фотонов сохраняется, даже когда они посылаются вместе с лазерным импульсом. Изменить цвет лазерного импульса можно с помощью высокоскоростного электрического сигнала таким образом, чтобы он соответствовал цвету запутанных фотонов. Этот эффект, согласно заявлениям ученых, позволяет объединять лазерные импульсы и запутанные фотоны одного цвета в оптическом волокне и снова разделять их. Ранее не было возможности использовать один и тот же канал в оптоволокне для передачи и запутанных фотонов, и лазерных импульсов. Дело в том, что обычно запутанные фотоны блокируют канал в оптическом волокне, не позволяя использовать его для традиционной передачи данных.^[2]

Топ-10 наиболее перспективных технологий квантовой связи

Институт статистических исследований и экономики знаний НИУ ВШЭ 18 июля 2024 года поделился с TAdviser перечнем наиболее перспективных направлений разработок, которые, по прогнозам исследователей, будут задавать вектор развития квантовой связи в мире на ближайшие несколько лет. Топ-десять технологий были определены с применением системы интеллектуального анализа больших данных iFORA.

В целом квантовые коммуникации — принципиально новый физический подход к обеспечению конфиденциальности и целостности данных и одно из самых перспективных направлений развития телекоммуникационной отрасли, подчеркнули в ИСИЭЗ НИУ ВШЭ. По оценкам аналитиков, к 2032 году глобальный спрос на технологии квантовой связи, которые уже стремительно завоевывают рынок, может превысить $8 млрд (прирост почти в 10 раз за десятилетие). Своевременный переход на квантово-устойчивые решения для защиты критической инфраструктуры становится приоритетной задачей информационной безопасности для государства и бизнеса, и значимость ее все более усиливается на фоне перспектив появления квантовых компьютеров, которые сделают уязвимыми традиционные методы криптографии. Однако массовому внедрению технологий квантовых коммуникаций пока препятствует высокая стоимость развертывания квантовых сетей и ряд физических и технических ограничений их реализации, необходимость преодоления которых намечает отдельные направления разработок (табл. 1).

По версии ИСИЭЗ НИУ ВШЭ, квантовый интернет (№ 1 в рейтинге) является наиболее ожидаемой технологией квантово-защищенной связи. Развертывание единой квантовой сети позволит связать квантовые процессоры и различные устройства и сенсоры (например, удаленные атомные часы или телескопы), обеспечив высочайшую точность синхронизации операций. Фундаментом для реализации квантового интернета является квантовая телепортация — процесс передачи квантового состояния физического объекта на идентичный объект, находящийся в другом месте, без прямого переноса квантовой частицы. Первый экспериментальный прототип квантового интернета уже создан в китайской столице: в 2023 году с помощью развернутого квантового канала связи протяженностью 64 км продемонстрировали рекордную скорость передачи данных (7,1 кубитов в секунду). Как отметили исследователи, достигнутой скорости квантовой телепортации пока недостаточно для развертывания полномасштабного квантового интернета. И в обозримом будущем он вряд ли заменит действующую Всемирную сеть, а, наиболее вероятно, будет использоваться в качестве сопутствующей технологии гибридной вычислительной экосистемы для решения специализированных задач в отдельных отраслях — государственном управлении, финансовом секторе, на транспорте и др. В долгосрочной перспективе создание квантового интернета приведет к смене парадигмы безопасности глобальных коммуникаций и предваряет появление универсальных квантовых компьютеров.

Высокий интерес банковского сектора к защите финансовых транзакций между странами привел к появлению концепции квантового банкинга, или квантовой финансовой системы (№ 3), основанной на технологии блокчейна и квантовых вычислений. Одним из ее компонентов станут квантовые деньги — децентрализованная форма цифровой валюты, защищенная от подделки квантовой криптографией. Но для полноценного развертывания квантовой финансовой системы необходимо создание отказоустойчивого квантового компьютера. По ряду оценок, это может произойти к 2035 году, отметили в ИСИЭЗ НИУ ВШЭ.

Самым зрелым и технологически развитым, по оценкам исследователей, направлением квантовых коммуникаций является квантовое распределение ключей (№ 2). Реализованные по состоянию на июль 2024 года в системах квантовых коммуникаций решения представляют собой аппаратный комплекс передачи данных с гибридной квантово-классической защитой телекоммуникационной сети и обеспечивают только безопасную передачу ключа по открытому каналу связи между абонентами, а сама пересылаемая информация пока защищается классическими методами и по-прежнему может быть уязвима в случае потенциальных атак квантовых компьютеров. По словам представителей ИСИЭЗ НИУ ВШЭ, высокая стоимость и низкая совместимость с существующей сетевой инфраструктурой сдерживают широкое внедрение данной технологии. Ее использование наиболее целесообразно в организациях, работающих в критически важных областях.

Большинство текущих решений и протоколов позволяют обмениваться информацией только двум сторонам, что также ограничивает практическую применимость квантового распределения ключей. В этой связи становится актуальным создание многоузловых квантовых сетей (№ 9), поддерживающих одновременно связь между большим числом абонентов. В 2018 году в Австрии создали квантовую сеть, имеющую полностью связанную архитектуру, в которой один источник запутанных фотонов распределяет квантовые состояния между многими пользователями, минимизируя нагрузку на вычислительные ресурсы каждого из них. При этом сеть можно легко масштабировать на значительное число абонентов без снижения уровня безопасности. Экспериментальный прототип самой передовой многоузловой квантовой сети из трех узлов в 2023 году разработан в Китае на территории города Хэфэй, рассказали в ИСИЭЗ НИУ ВШЭ.

По принципу физической реализации квантовые коммуникации делятся на оптоволоконные (№ 8) (наземный канал связи), разворачиваемые с помощью квантового спутника (№ 6) (атмосферный канал связи) и гибридные (№ 10) (сочетающие атмосферный и наземный каналы). Современные системы квантового распределения ключей разрабатываются в основном на базе оптоволоконных линий связи с прямым соединением, связывающим только двух абонентов, и имеют физические ограничения дальности передачи квантовой информации (всего несколько сотен километров). Для решения этой проблемы в различных точках сети создается несколько узлов в доверенной среде (т.е. в пространстве с гарантированным уровнем безопасности), что делает их реализацию весьма дорогостоящей.

Снятие ограничений по протяженности — ключевое условие для создания дальнодействующей квантовой связи (№ 4). Для поддержания на больших расстояниях высокоскоростной наземной квантовой связи разрабатываются специальные устройства — квантовые повторители (ретрансляторы) (№ 7). Именно от их действенности во многом зависит успех создания квантового интернета. Первый прототип полноценного повторителя эффективностью более 80% создали в 2021 году в Китае. Двумя годами позже в Австрии разработали еще один прототип квантового повторителя на основе ионов в ловушке, который обеспечивает передачу квантовой информации на расстояние более 800 км.

Для эффективной работы повторителей квантовых сигналов необходима квантовая память (№ 5) — устройство, способное сохранять квантовое состояние световых частиц в течение продолжительного времени. Существует множество различных подходов к реализации квантовой памяти, основанных на разных физических системах (сверхпроводники, атомы, ионы, молекулы, кристаллы и др.). Однако многие из созданных прототипов обладают низкой скоростью работы и плохо совместимы с существующими системами квантовой связи. В 2023 году в мире был создан прототип квантовой памяти на ионах в ловушке, обладающий рекордным временем хранения квантовых состояний (около 10 сек). Позже представили квантовую память на основе атомов, которая может подойти для массового производства и использования.

Увеличить дальность передачи квантовой информации, помимо квантовых повторителей, могут квантовые спутники (№ 6) на низких околоземных орбитах. Они позволяют передавать зашифрованные сообщения на наземные станции, при этом на значительно бóльшие расстояния между сторонами коммуникации по сравнению с наземным способом квантовой связи, пояснили исследователи. Подобная система создана только в Китае на базе спутников «Мо-цзы» (Mozi, 2016) и «Цзинань-1» (Jinan 1, 2022). Однако китайские устройства до сих пор имеют серьезное техническое ограничение — низкую скорость генерации ключей. Кроме того, спутник «Мо-цзы» пока работает лишь в ночное время.

Квантовые технологии формируют новый ландшафт передачи и защиты данных. Но прежде чем описанные в настоящем обзоре решения кардинально изменят сферу коммуникаций и принципы информационной безопасности, ученым предстоит преодолеть ряд физических и технических ограничений, сдерживающих по отдельным направлениям развитие данного кластера технологий, считают в ИСИЭЗ НИУ ВШЭ. Так, серьезным препятствием в реализации значимых для квантово-защищенной связи решений на базе квантового распределения ключей исследователи назвали малую дальность передачи, низкую скорость, небольшое число взаимодействующих пользователей. Возможные сценарии преодоления такого рода сложностей предполагают, например: создание квантовых повторителей и памяти для обеспечения большей дальности наземных сетей, разработку квантового спутника для формирования атмосферного канала передачи информации и реализацию принципа квантовой телепортации для запуска самого амбициозного проекта квантовой связи — квантового интернета.^[3]

Выпущен квантовый компьютер, который стал самым мощным и точным в мире

5 июня 2024 года компания Quantinuum представила 56-кубитный квантовый компьютер H2-1, который, как утверждается, сочетает в себе лучшие в отрасли показатели точности и производительности с возможностями коррекции ошибок. По заявлениям Quantinuum, новая система приближает эпоху универсальных отказоустойчивых квантовых вычислений. Подробнее здесь.

В 10 раз меньше кубитов, но вдвое больше производительность. Разработан самый мощный в мире квантовый компьютер

В июле 2024 года стало известно о создании самого высокопроизводительного чипа для квантового компьютера. Высокопроизводительный квантовый чип производства компании Oxford Ionics побил рекорды по производительности двухкубитных и однокубитных вентилей. Подробнее здесь.

Прощай, GPS. Началось применение первой квантовой навигации для самолетов, которую нельзя взломать

Началось применение первой квантовой навигации для самолетов, которую нельзя взломать. Новая технология под названием Q-INS (Quantum Inertial Navigation System) может прийти на смену GPS. Об этом в мае 2024 года рассказал заместитель министра науки, инноваций и технологий Британии Эндрю Гриффит, в ведении которого находятся космические проекты страны. Подробнее здесь.

2023

Объем мирового рынка квантовых сенсоров достиг $327,7 млн

В 2023 году затраты на мировом рынке квантовых сенсоров составили примерно $327,7 млн. Данный сектор устойчиво развивается, что объясняется технологическим прогрессом в области квантовых вычислений и растущим спросом на более точные измерения. Рыночные тенденции рассматриваются в обзоре Fortune Business Insights, опубликованном в конце сентября 2024 года.

Квантовые сенсоры — высокоточные измерительные приборы, работа которых основана на эффектах квантовой механики. Такие датчики отличаются крайне высокой чувствительностью, благодаря чему способны делать измерения, недоступные классическим устройствам. Квантовые сенсоры, в частности, служат для обнаружения изменений гравитации, магнитных полей, температуры и других факторов окружающей среды. Эти датчики предоставляют возможности, имеющие решающее значение для современных производственных процессов, робототехники, автоматизации и медицины. Квантовые акселерометры и гироскопы обеспечивают высокоточную инерциальную навигацию, которая применяется на подводных лодках, самолетах и автономных транспортных средствах, работающих в условиях отсутствия GPS.

В исследовании сказано, что пандемия COVID-19 оказала двоякое влияние на рынок. С одной стороны, нарушения в цепочках поставок и замедление экономики негативно сказались на производстве и спровоцировали задержки некоторых проектов. Но, с другой стороны, пандемия усилила спрос на передовые медицинские диагностические инструменты, благодаря чему увеличились инвестиции в технологии квантовых датчиков для сферы здравоохранения.

Одним из ключевых драйвером отрасли названо развитие искусственного интеллекта и машинного обучения. Квантовые датчики генерируют огромные объемы данных, а алгоритмы генеративного ИИ могут обрабатывать и анализировать их в режиме реального времени, предоставляя более точные результаты. К тому же ИИ может использоваться для моделирования и оптимизации конструкции квантовых сенсоров.

Вместе с тем существует и ряд сдерживающих факторов. Разработка и производство квантовых сенсоров требуют значительных инвестиций в передовые технологии, материалы и квалифицированный персонал. Высокие первоначальные затраты могут стать препятствием для многих организаций, что замедляет развитие рынка. Кроме того, перенос технологий квантовых датчиков из лабораторных условий в практические и крупномасштабные приложения вызывает значительные трудности.

Среди ведущих игроков отрасли названы Campbell Scientific, AOSense, Apogee Instruments, SandboxAQ, M Squared Lasers Limited, QDM.IO, ID Quantique, Muquans SAS, Atomionics Pte, SBQuantum, Oxford Instruments и Nomad Atomics. По сферам применения рынок подразделяется на автомобилестроение, здравоохранение и науки о жизни, военную и оборонную промышленность, сельское хозяйство, нефтегазовую промышленность и другие. Автомобильный сегмент в 2023 году занял самую большую долю благодаря широкому использованию передовых сенсорных технологий для систем безопасности, навигации и автономного вождения. Лидером по расходам на квантовые сенсоры является Северная Америка — $113,3 млн по итогам 2023-го. Вместе с тем Азиатско-Тихоокеанский регион демонстрирует наиболее высокие темпы роста.

Аналитики Fortune Business Insights полагают, что в дальнейшем показатель CAGR (среднегодовой темп роста в сложных процентах) на мировом рынке квантовых сенсоров составит 15,7%. В результате, к 2032 году затраты в глобальном масштабе, как прогнозируется, достигнут $1,21 млрд.^[4]

Банки начали использовать защиту операций от атак с квантовых компьютеров

6 декабря 2023 года HSBC объявил о том, что стал первым в мире банком, внедрившим квантовую защиту ИИ-операций, связанных с торговлей иностранными валютами. Новый метод, как отмечается, сможет оградить финансовые системы от мощных кибератак следующего поколения — в том числе тех, при проведении которых применяются квантовые компьютеры. Подробнее здесь.

Представлен первый в мире модульный квантовый компьютер

4 декабря 2023 года корпорация IBM анонсировала первый в мире модульный квантовый компьютер — платформу Quantum System Two. В основу данной системы положены новейшие квантовые процессоры IBM Heron со 133 кубитами (квантовыми битами). Подробнее здесь.

Alibaba свернула лабораторию квантовых вычислений из-за нехватки денег

27 ноября 2023 года китайская технологическая корпорация Alibaba Group Holding сообщила о закрытии исследовательской лаборатории квантовых вычислений. Данное решение связано с нехваткой денег и необходимостью улучшения финансовых показателей в условиях нестабильной макроэкономической обстановки. Подробнее здесь.

Лазерный чип может стать ключом к созданию масштабируемой квантовой памяти

Квантовая память является важной составляющей для создания квантовых сетей, совместимых с оптоволоконными линиями связи. Они нужны для качественной связи, быстрой передачи данных, а также для эффективных вычислений и много чего еще. Инженерам и ИТ-специалистам пока не удалось воссоздать такую сеть в больших размерах. Об этом стало известно 1 августа 2023 года.

Группа исследователей под руководством Сюэин Чжан описала, как обеспечить многомодовое хранение одиночного фотона на чипе, написанном лазером. Разработка позволит значительно увеличить скорость передачи информации по сравнению с одномодовым хранением (одномодовыми квантовыми каналами связи).

Устройство хранения на основе ниобата лития, легированного ионами эрбия, интегрировано с оптоволоконными компонентами телеком диапазона. Это открывает путь для создания квантовых сетей на базе интегральных фотонных схем.

Чжан и коллеги спроектировали волновод, напрямую связанный с одномодовым волокном. Для совместимости с оптоволоконной связью использовали оптические коллиматоры. На чипе реализовали систему квантовой памяти на основе атомно-частотного гребня шириной 4 ГГц.

В экспериментах по многомодовому хранению генерировали связанные пары фотонов в волноводе ниобата лития. Для одномодового хранения использовали одиночный лазерный импульс.

Для создания атомно-частотного гребня ионы эрбия внедряли в периодическую структуру с интервалом зубьев 5 МГц.

Таким образом удалось продемонстрировать новый способ хранения неклассического света с большой временной полосой пропускания. Ученые создали квантовую память на чипе со временем хранения целых 200 наносекунд.

Результаты эксперимента помогут усовершенствовать высокоскоростные квантовые сети. При этом понадобятся улучшения для создания полноценного устройства, в частности интеграция источников фотонов с памятью^[5].

Европа не готова к квантовому апокалипсису: новый доклад раскрывает все слабости ЕС в части кибербезопасности

17 июля 2023 года обнародован перечень рекомендаций для Европейского союза по обеспечению защиты государств-членов от кибератак нового типа с использованием квантовых вычислений. Подробнее здесь.

Разработано устройство, позволяющее хранить квантовую информацию в звуковых волнах

22 июня 2023 года американские учёные из Калифорнийского технологического института сообщили о разработке новой технологии хранения информации в квантовых компьютерах. Речь идёт о переводе электрических квантовых состояний в звуковые волны. Подробнее здесь.

Госоператор связи China Telecom создал компанию для развития квантовых вычислений и инвестировал в нее $422 млн

30 мая 2023 года китайсий государственный телеком-оператор China Telecom сообщил о формировании компании в сфере квантовых информационных технологий — Quantum Information Technology Group. Инвестиции в проект составили 3 млрд юаней (приблизительно $422 млн по курсу на 31 мая 2023-го). Подробнее здесь.

Rolls-Royce начала использовать квантовые вычисления при разработке авиадвигателей

21 мая 2023 года компании Nvidia, Rolls-Royce и Classiq объявили о прорыве в области квантовых вычислений, который, как ожидается, приведёт к значительному повышению эффективности реактивных двигателей. Подробнее здесь.

Физики научились управлять квантовым светом. Это открывает большие возможности для медвизуализации и квантовых компьютеров

20 марта 2023 года команда австралийских и швейцарских учёных сообщила о том, что им впервые удалось продемонстрировать возможность выполнения манипуляций с небольшим количеством взаимодействующих фотонов. Это открывает принципиально новые возможности для создания квантовых компьютеров и других устройств, например, систем медицинской визуализации.

В работах приняли участие сотрудники Университета Сиднея и Базельского университета. Исследователям удалось зафиксировать стимулированное излучение одиночных фотонов. В частности, учёные смогли измерить непосредственную временную задержку между одним фотоном и парой связанных фотонов, рассеянных на одной квантовой точке. Физики говорят, что это открывает двери для манипулирования тем, что можно назвать «квантовым светом».

По заявлениям специалистов, созданная ими система индуцирует настолько сильные взаимодействия между фотонами, что можно наблюдать разницу между одной и двумя частицами. В результате, с применением квантового света можно проводить более точные измерения с повышенным разрешением, используя меньшее количество фотонов. Такой подход будет востребован в ряде областей, в частности, в биологической микроскопии, когда большая интенсивность света может повредить образцы или когда наблюдаемые особенности чрезвычайно малы. Кроме того, специалисты намерены выяснить, как результаты их исследования могут быть использованы для создания состояний света, полезных для отказоустойчивых квантовых вычислений.

Мы заметили, что один фотон задерживается на большее время по сравнению с двумя фотонами. При этом действительно сильном фотон-фотонном взаимодействии два фотона запутываются в форме того, что называется двухфотонным связанным состоянием, — сказала доктор Наташа Томм (Natasha Tomm) из Базельского университета.[6]

2022

Стартапы в области квантовых технологий привлекли $2,35 млрд венчурных инвестиций

Квантовые вычисления могут дать миру стимул для развития новых индустрий, основанных на обработке больших данных, отмечается в аналитическом докладе «Квантовые вычисления: перспективы для бизнеса», которым с TAdviser 21 сентября 2023 года поделились представители Сбербанка. Кроме того, они могут обеспечить повышение производительности и эффективности алгоритмов искусственного интеллекта, точности моделей и симуляций сложных систем (таких как молекулы новых лекарств, химические реакции или физические процессы), а также обеспечить новый уровень расчётов в финансах и логистике, новые решения климатических проблем и криптографические алгоритмы, которые обеспечат более высокий уровень безопасности.

Как отмечается в докладе, ведущие страны мира, понимая прорывной потенциал этого направления, включают квантовые технологии в национальные программы и выделяют всё бОльшие бюджеты на исследования. Лидером здесь выступает Китай с общим объёмом госфинансирования в размере $15,3 млрд, что в 4 раза превышает аналогичный показатель США и в 2 раза – показатель ЕС.

В то же время, всё большее внимание в мире уделяется поддержке стартапов в области квантовых технологий. Так, в 2022 году венчурные инвесторы по всему миру вложили в них $2,35 млрд.

Также в 2022 году в мире выдано и опубликовано почти 1600 патентов во всех подобластях квантовых вычислений: от физических реализаций квантового оборудования и коррекции ошибок до ИИ и машинного обучения, говорится в документе.

Свои программы развития имеют ведущие технологические корпорации мира. Так, IBM, которая уже изготовила квантовый процессор на 433 кубита, планирует в 2023 году нарастить количество кубитов до 1121, а Google намерена показать устройство на тысячу кубит после 2025 года. О намерении разработать полный стек технологий для квантовых вычислений заявила корпорация Intel и уже выпустила на рынок квантовые чипы на спиновых кубитах, производимые при помощи технологий для выпуска классических полупроводниковых транзисторов.

В свою очередь, в России работа в области квантовых вычислений ведётся над четырьмя ключевыми физическими платформами: сверхпроводниковыми кубитами, фотонными схемами, нейтральными атомами и ионами в ловушках. Сформировался пул организаций, среди которых как компании, так и научные институты и университеты, которые проводят исследования и разработки, изучают применимость квантовых вычислений к практическим задачам.

В докладе отмечаются следующие основные технологические результаты, достигнутые в России:

• созданы экспериментальные образцы 8-кубитного квантового процессора на сверхпроводниках, 4-кубитного квантового компьютера на основе фотонных чипов и 16-кубитного квантового компьютера на нейтральных атомах (МГУ им. М. В. Ломоносова, Российский квантовый центр (РКЦ));
• представлен 16-кубитный процессор на ионах в ловушках на базе кудитов (ФИАН, РКЦ). Отрабатывается точность квантовых логических операций каждого из кубитов и их попарных взаимодействий;
• разработана демонстрационная схема 8-кубитного квантового симулятора на сверхпроводниках (МФТИ, МИСиС). По результатам 2022 г. в рамках работ по дорожной карте на нём впервые в России реализован алгоритм машинного обучения.

Для поступательного развития квантовых вычислений в России, согласно выводам аналитического доклада, нужно, чтобы в российском квантовом сообществе стало больше исследователей, а бизнес больше вовлекался в постановку задач и разработку прикладных технологий. Корпорациям надо быть более открытыми к внедрению нового и инвестировать в том числе в подготовку кадров для новой индустрии.

В целом авторы исследования приходят к выводам, что, хотя ещё никому в мире не удалось продемонстрировать практическое квантовое превосходство, тем не менее компаниям стоит планировать уже сегодня, что будет после его достижения. Квантовые вычисления возможно достаточно органично встроить в рабочие процессы обработки данных, с применением адаптационных инструментов для популярных языков программирования и интерфейсов.

«Сбер в соавторстве с партнёрами проанализировал ситуацию с квантовыми вычислениями в России и мире не просто с точки зрения науки, но и с точки зрения бизнеса, выяснив, как "кванты" повлияют на технологические компании. Изучив десятки отчётов, инвестиционных стратегий, национальных программ и дорожных карт ведущих стран и корпораций мира, мы пришли к выводу, что внедрение квантовых вычислений может дать кратное увеличение эффективности финансовых и логистических процессов, позволит ускорить разработку новых лекарств и материалов с заданными свойствами, обрабатывать огромные массивы данных и делать это не только быстро, но и со значительной экономией вычислительных ресурсов и энергии, – заявил Альберт Ефимов, вице-президент, директор Управления исследований и инноваций Сбербанка. – А синергия "квантов" и ИИ открывает путь к новой технологической революции, во главе которой станет сильный искусственный квантовый интеллект. Это будет новый уровень умных машин, которые станут полноценными собеседниками, помощниками и ассистентами человека».

Подробнее ознакомиться с докладом Сбера «Квантовые вычисления: перспективы для бизнеса» можно по ссылке. Документ подготовлен банком совместно с партнёрами — ВНИИА им. Н. Л. Духова и Институтом искусственного интеллекта AIRI. В сборнике дана оценка текущего состояния и сделаны выводы о развитии квантовых вычислений, препятствиях и ограничениях, которые предстоит преодолеть на пути практического применения квантовых компьютеров как в мире, так и России. В докладе также содержится перечень задач, которые бизнес может решать с помощью квантовых вычислений, и обзор ключевых российских и зарубежных игроков в этой сфере.

Взлом криптографического алгоритма RSA с помощью квантового компьютера

23 декабря 2022 года обнародованы результаты исследования китайских учёных, говорящие о том, что RSA-ключи шифрования взломаны с помощью |квантовых компьютеров. Подробнее здесь.

Как квантовые технологии помогают Toyota собирать автомобили

21 октября 2022 года японский автогигант Toyota и компания Fujitsu Limited сообщили о сотрудничестве в рамках проекта по внедрению технологии Fujitsu Digital Annealer на предприятиях по производству автомобилей. Подробнее здесь.

Baidu представила свой первый квантовый компьютер

25 августа 2022 года китайская компания Baidu, развивающая одноименную поисковую систему (крупнейшую в КНР), представила свой первый квантовый компьютер. Он получил название Qianshi. Подробнее здесь.

Fujitsu представила симулятор квантового компьютера

В конце марта 2022 года Fujitsu представила симулятор квантового компьютера, способный обрабатывать 36-кубитные квантовые схемы в кластерной системе с суперкомпьютером PRIMEHPC FX 700, оснащенным тем же процессором, что и самый быстрый в мире суперкомпьютер Fugaku. Подробнее здесь.

2021

Hitachi разработала квантовый компьютер для управления движением поездов

В середине октября 2021 года японский промышленный гигант Hitachi сообщил о разработке системы автоматизации на основе технологии квазиквантовых вычислений для оптимизации работы железных дорог. По словам разработчиков, их решение составляет график работы персонала всего за 30 минут, тогда как обычно этот процесс занимает 3-5 дней. Подробнее здесь.

Начались продажи первого в мире свер­хпроводящего процессора для квантовых комп­ьютеров

В середине июля 2021 года голландский стартап QuantWare выпустил первый в мире коммерчески доступный сверхпроводящий процессор для квантовых компьютеров (QPU). Эксперты считают, что эта разработка может значительно ускорить революцию в области квантовых вычислений. Подробнее здесь.

Toshiba создала невосприимчивую к взлому квантовую сеть

В середине июня 2021 года исследователи из Кембриджской исследовательской лаборатории Toshiba Europe продемонстрировали, что квантовая информация может успешно передаваться по оптическим волокнам, длина которых превышает 600 км. Новое рекордное расстояние откроет путь для передачи квантовой информации на большие расстояния между мегаполисами. Также утверждается что созданную квантовую сеть нельзя взломать.

Исследователи пояснили, что одной из самых сложных технологических проблем при построении квантового Интернета является проблема передачи квантовых битов по длинным оптическим волокнам. Ранее передача кубитов по оптоволоконным сетям была ограничена небольшой протяженностью сети. Незначительные изменения в окружающей среде, в том числе температурные колебания, могут спровоцировать расширение или сжатие кабеля, что приведет к уничтожению информации.

Для уменьшения воздействия окружающей среды в Toshiba создали метод, называемый двухдиапазонной стабилизацией. Он предполагает передачу данных посредством двух сигналов, один из которых компенсирует быстро меняющиеся отклонения, а второй предназначен для более точной настройки фазы. Так, инженеры достигли возможности качественно передавать информацию на расстоянии до 600 км.

Благодаря последнему достижению инженеры смогут создать сеть нового поколения, по которой можно будет безопасно передавать данные между городами и даже странами.

Наше видение - это платформа для услуг квантовых информационных технологий, которая обеспечит не только безопасную связь в глобальном масштабе, но и трансформирующие технологии, такие как облачные квантовые вычисления и распределенное квантовое зондирование.

Первым использованием новой технологии, вероятно, будет применение ее для квантового распределения ключей (QKD). Передаваемая посредством оптического волокна информация шифруется с помощью технологии QKD. Ученые объяснили, что, для формирования ключей шифрования протокол использует квантовые сети, которые практически исключают проникновение. При потенциальном взломе сети обе стороны будут предупреждены.^[7]

Toshiba привносит квантовые вычисления в обычные компьютеры

В начале апреля 2021 года стало известно о том, что Toshiba реализовала возможность интеграции своего алгоритма имитации бифуркации (Simulated Bifurcation Algorithm или SBA) с программируемой вентильной матрицей (FPGA), которую можно подключить к рабочим станциям. Подробнее здесь.

Как компании ТЭК используют квантовые вычисления

В конце марта 2021 года портал Smart Energy International опубликовал статью о том, как компании топливно-энергетического комплекса (ТЭК) используют квантовые технологии для решения бизнес-задач. Одно из применений таких разработок заключается в прогнозировании объемов потреблений электроэнергии.

Кроме того, квантовые вычисления помогают предприятиям развивать новые технологии и экологические проекты, а в будущем могут помочь и в принятии инвестиционных решений, отмечают эксперты.

Балансировка объемов производства и потребления в условиях все более растущей децентрализации энергосистемы становится все более сложной задачей. По мере того, как растет количество распределенных энергоресурсов, а тенденция потребления становится все более неустойчивой, вычисления становятся более сложными и требуют больше времени. В результате энергетические компании прибегают к вычислениям на квантовом компьютере, — отмечается в публикации (цитата по ТАСС).

В качестве примера сообщается, что ExxonMobil в сотрудничестве с IBM изучают несколько вариантов повышения экологичности нефтедобывающей компании, в том числе оптимизацию энергосистемы и разработку новых материалов для улавливания углерода. Кроме того, помощь в решении экологических проблем IBM отказывает и BP.

Enel Group надеется, что квантовые вычисления в будущем помогут оптимизировать процессы в области управления персоналом и даже принимать инвестиционные решения. К концу марта 2021 года компания использует алгоритмы, основанные на квантовых концепциях, для оптимизации времени, которое сотрудники группы тратят на дорогу до места распределения или командировки. Ежегодно группа распределяет более 32 млн работников в 13 компаниях группы, компьютерные вычисления уже помогли сократить время пути работников Enel Group до места командировок.^[8]

2020

Индия выделила $1,12 млрд на развитие квантовых компьютеров

В начале февраля 2020 года правительство Индии утвердило свой бюджет на 2020 год, выделив порядка $1,12 млрд на развитие квантовых компьютеров. Эти средства пойдут на развитие Национальной программы по квантовым технологиям и приложениям. Подробнее здесь.

2019

Квантовые компьютеры начали защищать автомобили от кибератак

В начале января 2020 года канадская компания ISARA, ведущий поставщик квантовых систем кибербезопасности, представила обновлённый автомобиль Karma Revero GT, который, по словам разработчиков, способен отправлять и получать электронные голосовые сообщения, не опасаясь, что информация будет перехвачена и расшифрована — даже с применением квантового компьютера. В ISARA создали коммуникационное решение с использованием квантовой связи. Подробнее здесь.

Кто побеждает в квантовой гонке: лидеры по патентам

Совместное исследование 2019 года Ростелекома, Иннопрактики и ФИПС патентного ландшафта в квантовых технологиях помогает прояснить некоторые моменты.

• Мировым лидером по количеству поданных заявок на квантовые патенты является Intel. Это говорит о продуктивности их исследовательского центра, объяснял "Нецифровой экономике" один из авторов исследования, замдиректора центра стратегических инноваций Ростелекома Павел Красовский.

• Однако уже полученных патентов больше всего у японской Toshiba. Она же — одна из главных компаний в сфере квантового шифрования.

• Самые цитируемые патенты в других заявках — у канадской D-Wave и американской военно-промышленной компании Northropp Grumman. У этих компаний самая большая «сила патентов», объясняет Красовский, то есть они изобрели технологии, которые имеют большое значение для исследователей.

• Google и Alibaba Group — мировые лидеры по количеству стран, где запатентованы их квантовые технологии (по 12 стран у каждого). На третьем месте швейцарская компания Quantique (11 стран).

Количество стран, по словам Красовского, показывает, насколько компании близки к коммерциализации своих технологий. Подача патентных заявок — очень затратная процедура, и компании начинают тратить на это деньги только если видят коммерческие перспективы на том или ином рынке.

Интересная ситация сейчас с китайскими компаниями. По словам Красовского, китайские патенты обычно считаются «мусорными», так как у китайских исследовательских центров KPI жестко привязаны к количеству патентов на уровне госполитики. Поэтому они много патентуют внутри страны, но если они пытаются запатентовать ту же технологию за рубежом, то как правило получают отказ из-за отсутствия новизны.

Однако, ряд китайских компаний, таких как Ruban Quantum Technology, недавно начали активно подавать заявки. Пока патентов у них нет, так этот процесс занимает не менее полугода, но если провести такое же исследование через год, то есть вероятность, что Ruban Quantum Technology окажется в числе лидеров.

Позиции России

Россия занимает 9 место в мире по количеству патентов в сфере квантовых технологий, следует из совместного исследования Ростелекома, Иннопрактики и ФИПС. В первую пятерку входят США, Китай, Япония Корея и Германия.

• Больше всего патентных семейств в России у Российской академии наук (включая Курчатовский институт) – 6 семейств. На втором месте — Фонд перспективных исследований, у него три патентных семейства, связанных с квантовыми технологиями. По два патентных семейства у НИК «Каскад», и «Лаборатории оптико-волоконных приборов». У остальных шести организаций по одному семейству. Среди них - Российский квантовый центр, ИнфоТеКС, Фотонные нано-мета технологии, а также два Нижегородских университета и один Иркутский.

• Авторы исследования также отмечают большое количество заявок на патенты в России со стороны зарубежных компаний. Например, британской Element Six Technologies, Fisk Software и University of Cophengagen.

• Активнее всего российские компании занимались патентованием в области квантовых технологий в 2012-2015 годах. Авторы отчета связывают этот всплеск с увеличением финансирования.

• Если брать международную патентную классификацию, то чаще всего в России квантовые технологии патентуют в области устройств для секретной или скрытой связи, автоматического управления частотой или фазой и синхронизации, квантовой связи и в устройствах или способах обработки данных.

Германия инвестирует 650 млн евро в квантовые вычисления

В середине сентября 2019 года стало известно о том, что правительство Германии инвестирует 650 млн евро в течение следующих двух лет, чтобы поддержать переход квантовых технологий из фундаментальных исследований в готовые к применению приложения. Подробнее здесь.

20 лет развития квантовых вычислений. Инфографика

На август 2019 г ожидается, что Rigetti, стартап по квантовым вычислениям, выпустит 128-кубитовую систему в 2019 году. Это может стать важным достижением на квантовой арене.

Принципиальное различие между современными компьютерами и вычислительными системами, с которыми мы взаимодействуем, заключается в огромной скорости и способе обработки информации на сервере. Создание подобных машин угрожает современным стандартам шифрования данных.

Банк впервые начал использовать квантовые вычисления для защиты от кибератак

В конце июня 2019 года стало известно о том, что ABN Amro первым среди банков начал использовать квантовые вычисления для борьбы с кибератаками. Для этого голландская компания начала сотрудничество с научно-исследовательским институтом QuTech, который создан Делфтским техническим университетом совместно с Голландской организацией прикладных научных исследований (Netherlands Organisation for Applied Scientific Research). Подробнее здесь.

Запуск в Британии первой в мире коммерческой квантовой сети

В конце марта 2019 года в Британии была запущена первая в мире коммерческая квантовая сеть. Безопасная сеть будет применять квантовое распределение ключей (QKD): для защиты шифрованных сообщений используются принципы квантовой механики, а не сложные математические расчеты. Подробнее здесь.

2017

Между землей и самолетом впервые наладили квантовую связь

Физики из Университета Уотерлу (Канада) впервые реализовали квантовый канал связи для распределения секретных ключей шифрования между летящим самолетом в качестве получателя и наземной станцией в качестве отправителя. В рамках эксперимента ученым удалось в 6 попытках из 14 сгенерировать секретный ключ. В будущем система может найти применение для квантовой связи между самолетами и спутниками. Исследование опубликовано^[9] в журнале Quantum Science and Technology, кратко о нем сообщает^[10] Physics World^[11].

Существующие системы криптографии основаны на существовании секретного ключа, с помощью которого происходит шифрование информации. Без знания этого ключа расшифровка по сути невозможна. К примеру, в методе шифровальных блокнотов и получатель и отправитель хранят у себя абсолютно идентичные наборы случайных данных, которые суммируются с текстом сообщения. Без блокнота перебор всех возможных ключей даст все возможные сообщения данной длины.

Однако ключ необходимо каким-либо образом передать между участниками связи. Перехват ключа на этом этапе позволит злоумышленнику полностью расшифровать всю переписку. Чтобы такой перехват был невозможен на уровне законов физики, ученые разработан алгоритм квантового распределения ключа. Он основан на передаче одиночных фотонов, приготовленных в случайном состоянии («ноль» или «единица») и в случайном базисе (в вертикальной/горизонтальной или диагональной поляризации). При попытке злоумышленника измерить поляризацию фотона, произойдет изменение состояния последнего. Это удастся легко отследить отправителю и получателю и отбросить скомпроментированный ключ.

Для реализации подобных протоколов связи необходимо наладить квантовую коммуникацию между отправителем и получателем. В случае городских сетей, это можно сделать с помощью оптоволоконных линий. Также распределение ключа между неподвижными объектами можно организовать «по воздуху», с помощью лазера и детектора. Эти подходы уже были реализованы — предельные расстояния составляют около нескольких сотен километров в обоих случаях. Технику ограничивают потери в оптоволокне и рассеяние на турбулентных потоках в воздухе.

Авторы новой работы продемонстрировали принципиальную возможность квантового распределения ключа между летящим самолетом и наземной станцией. Для приема и передачи сигнальных фотонов физики использовали пару моторизированных телескопов. Приемник был установлен на самолете «Твин оттер», облетавшем наземную станцию по дуге или по прямой линии на высоте 1,6 километра. Номинальные расстояния между источником и приемником колебались от 3 до 10 километров. В установке были предприняты методы защиты от простейших атак, в том числе, «Троянских коней».

Всего самолет выполнил 14 полетов рядом с наземной станцией со скоростью около 200-250 километров в час. Ровно в половине случаев исследователям удалось установить квантовый канал связи и в шести из них — сгенерировать секретный ключ. Время квантовой связи колебалось от 30 секунд до четырех с половиной минут, максимальный размер секретного ключа составил 867 килобит.

На подготовку эксперимента у ученых ушло почти восемь лет. Ранее похожий эксперимент был поставлен в Германии, однако на самолете находился источник фотонов, а не приемник. По словам физиков, именно в новой постановке эксперимента ключ можно будет успешно генерировать для связи между спутником и самолетом. Преимущество использования спутника в отсутствии естественных помех между отправителем и получателем, например, гораздо более разреженная среда.

Смотрите также

• Квантовая коммуникационная платформа цифровой экономики
• Квантовая криптография
• Постквантовая криптография
• Российский квантовый центр (РКЦ, Russian Quantum Center, RQC)
• Суперкомпьютер
• Фотонная интегральная схема (ФИС)

Примечания