Слепые вычисления и квантовые сети — на пути к квантовому интернету
В поисках новых способов повысить скорость и качество передачи контента (по этому поводу скоро будет вебинар, подключайтесь), рано или поздно возникает вопрос: можно ли передавать данные мгновенно и безопасно, независимо от расстояния? Наши представления о способах обмена информацией в интернете может вскоре изменить квантовая сеть.
Квантовые коммуникации становятся доступнее, не в последнюю очередь благодаря облачным технологиям. Облако позволяет исследователям и компаниям экспериментировать с квантовыми алгоритмами без необходимости владеть дорогостоящим оборудованием.
Можно уверенно сказать, что полноценные квантовые машины будут продолжать работать с виртуальной инфраструктурой. Чтобы обеспечить их работу, инженеры уже разработали протоколы, которые защищают данные и обеспечивают их приватность при обработке квантовым компьютером в облаке.
Мы уже можем примерно представить будущее квантового интернета.
Квантовые облака
Концепцию квантовых вычислений предложил в начале 1980-х физик Пол Бениофф, который в одной из своих статей описал квантово-механическую модель машины Тьюринга.
Но первый знаковый прорыв в области квантовых компьютеров произошел только в 1994 году. Тогда Питер Шор, математик из Bell Labs, представил квантовый алгоритм для умножения больших чисел, который работал кратно быстрее классических подходов.
В начале нулевых произошел еще один виток развития квантовых систем: Шор вместе со своим коллегой Рэймондом Лафламмом разработал коды квантовой коррекции ошибок, чтобы сделать вычисления более надежными и устойчивыми к внешним помехам.
В итоге Шору с коллегами удалось показать, что возможности квантовых компьютеров могут превзойти способности классических вычислительных систем.
Позже физик-теоретик Джон Прескилл даже ввел специальный термин — «квантовое превосходство». Сегодня среди представителей научного и ИТ-сообщества можно встретить мнение, что оно уже было достигнуто. Еще в 2019 году 53-кубитный квантовый компьютер Sycamore произвел вычисления по экспериментальному алгоритму за 200 секунд, тогда как суперкомпьютеру IBM Summit потребовалось бы на это 10 000 лет.
В то же время ряд специалистов отмечает, что говорить о достижении квантового превосходства преждевременно, а полнофункциональная квантовая машина по самым оптимистичным оценкам появится не раньше, чем через десять лет.
Результаты прошлых и текущих экспериментов можно трактовать по-разному. Так, инженеры из IBM обнаружили ошибку в расчетах Google и доказали, что суперкомпьютер компании сможет справиться с поставленной задачей всего за 2–3 дня, причем с большей точностью.
Поэтому в среде специалистов всё чаще речь заходит не о «квантовом превосходстве», а о «квантовом преимуществе»: подходе, при котором технология не заменит классические системы, а дополнит их.
Эксперты расходятся во мнениях касательно сроков появления полнофункциональных квантовых компьютеров, но существенная их часть уверена, что такие системы в основном будут работать из облака. Дело в том, что для их эксплуатации требуются особые условия.
Дата-центр — идеальная площадка для ИТ-оборудования. И не важно, идет ли речь о квантовом компьютере из будущего или самой обычной клиентской стойке на пять киловатт. В хорошем ЦОДе обеспечиваются стабильные показатели температуры и влажности, многослойные системы резервного электроснабжения с использованием ИБП и дизельных генераторов, а также меры безопасности, препятствующие, например, строительству автострады через здание.
В таком контексте удаленное подключение к вычислительной системе и аренда её мощностей выглядит логичным шагом. И это уже происходит — десятки компаний экспериментируют с таким форматом.
Безопасные «слепые вычисления»
Еще один фактор, который существенно влияет на развитие облачных квантовых вычислений — это безопасность. У обычного дата-центра вы можете запросить сертификаты на соответствие международным стандартам — например, Tier III. Кроме того, можно использовать VPN-канал и подключить облачные сервисы кибербезопасности — от антивируса до защиты веб-приложений.
Чтобы решить подобную задачу для квантовых компьютеров, исследователи предложили несколько протоколов. Например, протокол для проведения «слепых квантовых вычислений» на базе связанных ионоы. Концепция подобного рода вычислений подразумевает, что сервер выполняет их, не имея полной информации о решаемых задачах и обрабатываемых данных.
Над подобными системами и алгоритмами в этой области работают уже длительное время, но предыдущие подходы имели недостатки, связанные с точностью вычислений, а инженеры сталкивались с проблемой построения интерфейсов для обмена данными в паре «классический компьютер — квантовый компьютер».
Классический подход подразумевает работу с фотонными кубитами. Однако работа таких систем во многом имеет вероятностную природу. Специалисты из Оксфорда использовали кубиты, состоящие из электрически заряженных атомов, — ионов. Ион стронция сыграл роль «сетевого кубита», который отправляет фотоны клиенту. Ион кальция назвали «кубитом памяти», так как он хранит информацию, которую можно использовать на последующих итерациях протокола. Обмен фотонами происходит по оптоволоконному кабелю. Конфиденциальность достигается за счет поляризации, а также шифрования данных.
Несмотря на большой потенциал «слепых квантовых вычислений», протокол все еще требует доработки. Так, для выполнения сложных вычислений необходимо увеличить число кубитов, что технически сложно, хотя предложения по созданию подобных систем уже существуют. Поэтому вероятность совершенствования подхода велика.
Переход к квантовому интернету
cОдно из главных требований к дата-центру — это связность. Как с глобальными точками обмена трафиком, так и с другими ЦОДами. Например, у MWS, чтобы синхронно реплицировать дисковые массивы, дата-центры в одном регионе могут располагаться на расстоянии от 10 до 70 км друг от друга. Благодаря настроенной связности всегда доступна как минимум одна независимая копия данных.
В «квантовом» контексте идёт разработка технологий, призванных приблизить появление квантового интернета. В 2022 году инженерам удалось установить квантовую запутанность на расстоянии в 12,5 километров. Умение поддерживать квантовую запутанность в условиях города — важный шаг в развитии квантовых сетей и распределенных квантовых систем.
Квантовая запутанность — это явление в квантовой механике, когда две частицы оказываются связаны. Когда меняется состояние одной, тут же изменяется состояние другой. Это свойство играет ключевую роль в квантовых вычислениях: запутанность кубитов обеспечивает больший параллелизм при работе с данными, поэтому квантовые компьютеры способны решать некоторые задачи быстрее классических систем.
В июне 2023 года интернациональной команде исследователей удалось объединить два устройства квантовой памяти на основе алмаза в сеть. В его кристаллической решетке два атома углерода были заменены одним атомом кремния. Сформированный «дефект» позволил запутывать частицы и сохранять их квантовое состояние в течение одной секунды. Что важно, эксперимент провели за пределами лаборатории с использованием оптоволоконного канала протяженностью более 35 километров.
Другой эксперимент с квантовой памятью провели исследователи из испанского Института фотоники. Им удалось создать и поддерживать запутанность между двумя устройствами памяти, расположенными на расстоянии 10 метров. Для этого они использовали мультиплексирование — технологию, которая позволяет одновременно передавать несколько сообщений по одному каналу связи. В результате удалось удержать состояние суперпозиции в течение 25 микросекунд.
Кроме того, уже ведутся работы, чтобы встроить квантовые машины в существующую инфраструктуру. В ноябре 2023 года Microsoft и Photonic смогли передать информацию между двумя кубитами на длине волны связи. Этот опыт продемонстрировал, что существующие сети можно задействовать для построения квантового интернета.
Также недавно специалисты разработали новый метод формирования квантовых излучателей света (цветовых центров) в кремнии. Цветовой центр представляет собой дефект в структуре твердого вещества, который, поглощая видимый свет, инфракрасное или ультрафиолетовое излучение, позволяет генерировать поляризованные одиночные фотоны, пригодные для передачи данных.
Обычно для создания дефектов материал непрерывно облучают потоком ионов. Но ученые обнаружили, что гораздо эффективнее использовать импульсные ионные пучки. Результаты эксперимента могут заложить основу квантового интернета, так как позволят получить более глубокое представление о свойствах квантовых излучателей.
Что ещё почитать по теме
Пока ученые ведут проработку фундаментальных аспектов квантовых машин и сетей, вполне можно успеть подготовиться к наступлению quantum future. Чтобы лучше разобраться в теме квантовых вычислений, можно начать с этих книг.
«Quantum Supremacy: How Quantum Computers will Unlock the Mysteries of Science — and Address Humanity’s Biggest Challenges»
Новая книга физика-теоретика, футуролога и популяризатора науки Митио Каку. Ученый известен тем, что объясняет сложные научные темы простыми словами. Кроме того, Митио Каку — один из соавторов теории струн. В своей новой работе он исследует потенциал квантовых компьютеров в решении проблем человечества. Среди них — голод, неизлечимые заболевания и другие. Также автор рассматривает влияние квантовых вычислений на криптографию и безопасность данных. Он оценивает риски, связанные с уходом на второй план классических компьютерных систем, и анализирует технологический разрыв между странами.
«Танец с кубитами. Как на самом деле работают квантовые вычисления»
Книга Роберта Сатора, одного из разработчиков IBM Q. Автор методично раскрывает перед читателями сложные темы: начиная с основ квантовой механики и заканчивая работой квантового компьютера. Он не просто предлагает теоретические рассуждения, а приводит примеры использования квантовых вычислений в сфере криптографии, моделирования, разработки новых материалов. «Танец с кубитами» — хороший гид по миру квантовых технологий на русском языке.
«Quantum in Pictures: A New Way to Understand the Quantum World»
Книга предлагает новый подход к изучению квантовой механики с помощью визуализаций. Авторы используют графический язык ZX-calculus, чтобы объяснить читателю ключевые концепции квантовой физики, такие как запутанность, телепортация и квантовая неопределенность. Такой способ подачи материала позволяет не использовать сложные математические термины и доступно излагать самые запутанные темы.
