Как устроен и зачем нужен квантовый компьютер

Что такое квантовый компьютер?

Однажды Билл Гейтс сказал, что математика, лежащая в основе кванта, была за пределами его понимания, но не все с этим согласились.

«Несколько ошибочно представление о том, что квантовая физика — это тоже физика и она слишком сложная, — убеждает Business Insider Крис Монро, генеральный директор и соучредитель IonQ. — Непостижимой для многих людей ее делает то, что она — непонятна, но она также непонятна для меня, как и для вас. Если что-то может находиться в суперпозиции, это означает, что оно может быть в двух состояниях одновременно. Это странно, потому что мы не сталкиваемся с подобным в реальном мире”.

Компьютеры, которые мы использовали отображают данные в виде строки 1 или 0, названной двоичным кодом

Тем не менее, квантовый компьютер может представлять данные в виде 1, 0 или, что особо важно, оба числа одновременно

Когда система может находиться в более чем одном состоянии одновременно, это называется «суперпозиция» — одно из, казалось бы, магических свойств квантовых вычислений. Другим ключевым принципом здесь является «запутанность», которая является квантовым свойством, позволяющим двум частицам двигаться абсолютно синхронно, независимо от того, насколько далеко они физически разделены.

Как объясняет статья в журнале Scientific American, эти два качества объединяются в компьютер, который может обрабатывать одновременно гораздо больше данных, чем любая система на сегодняшнем рынке.

Мощность квантового компьютера измеряется в кубитах, базовой единице измерения в квантовом компьютере. Точно так же, как современные компьютеры имеют 32-х или 64-разрядные процессоры (меру того, сколько данных они могут обрабатывать одновременно) квантовый компьютер с большим количеством кубитов имеет значительно больший объем вычислительной мощности.

Внутри квантового компьютера. Фото: IBM

Частицы теперь волны, а не мячики

Время каминг-аута.

Мне 30 лет, а я до сих пор при слове «атомы» и «электроны» представляю их себе как мячики. Молекулы в учебнике по химии всегда были набором мячиков и палочек между ними, а кристаллическая решетка — это когда целая стена из мячиков!

В целом, это неплохо работало.

Электрический ток я представлял себе как толпу таких мячиков, несущихся по проводу-трубе. Больше мячиков — значит больше ампер (силы тока), быстрее бегут — больше вольт (напряжение), шире труба — значит меньше сопротивление.

Сам я тоже сделан из таких атомов-мячиков, которые по неведомой мне причине решили притянуться друг другу и образовать такую вот причудливую форму меня. Ну круто же!

Я так на физтех поступил

Так вот теперь время для первой важной части этого поста. Если мне удастся донести хотя бы это, значит вы уже поймете огромную часть квантовой механики, даже если сразу закроете пост после этого

Мячики, вы лучшие, мы еще вспомним о вас!

Но когда мы говорим о квантовой физике, наши частицы больше не работают как мячики. Они живут как волны. Как круги на воде или звуки от гитарных струн, представляйте как удобнее.

Срач о том, реально ли всё это волны или мы просто натянули имевшиеся для волн уравнения и сказали «опа, а вроде подходит» — один из самых громких споров современных физиков. Там рвут глотки и делятся на лагеря, так что давайте не будем и просто примем, что тот же самый мячик может ВЖУХ и быть посчитан как волна.

Так нам удобно и всё.

Отныне мы состоим не из мячиков, а из таких вот волнушечек, которые как-то между собой интерферируют и получается Олег. Вот прям как звуковые волны накладываются чтобы получилась музыка, так же вот и Олег.

Главный же прикол в том, что кроме волн больше нет ничего. Вообще ничего. Никаких скрытых параметров, по крайней мере локальных.

Абсолютно любое свойство объекта отныне можно описать одной такой жирной функцией взаимодействия этих волн друг с другом.

Как в телевизор приходят радиоволны и получается картинка на экране, так же наши волнушечки могут собраться по какой-то формуле и сделать Олега. Фотоны света отражатся от волн Олега и так его себе видим.

Но реален ли сам Олег?

Дам вам время подумать над этим. Тут лучше не торопиться. Можете вернуться к посту вечером.

Как работает квантовый компьютер

Квантовые компьютеры для вычислений используют такие свойства квантовых систем, как суперпозиция и запутанность. В суперпозиции квантовые частицы представляют собой комбинацию всех возможных состояний, пока не произойдет их наблюдение и измерение. Запутанные кубиты образуют единую систему и влияют друг на друга. Измерив состояние одного кубита, возможно сделать вывод об остальных. С увеличением числа запутанных кубитов экспоненциально растет способность квантовых компьютеров обрабатывать информацию.

Биты и кубиты

(Фото: Журнал Яндекс Практикума)

Базовым элементом, выполняющим логические операции в классическом компьютере, является вентиль. Для работы квантового компьютера используются квантовые вентили, собранные из кубитов. Они бывают однокубитные и двухкубитные. Также существуют универсальные наборы вентилей, с помощью которых можно выполнить любое квантовое вычисление

Кроме того, квантовые компьютеры не могут работать со стандартным софтом вроде Windows. Для них требуется своя операционная система и приложения. Некоторые технологические гиганты уже предлагают организациям опцию квантовых вычислений в облаке. Облачные квантовые вычисления обеспечивают прямой доступ к эмуляторам, симуляторам и квантовым процессорам.

Квантовые вычисления в облаке

(Фото: Medium)

Поставщики также предоставляют платформы разработки и документацию для языков и инструментов вычислений. IBM уже представила программную платформу для квантовых вычислений с открытым исходным кодом под названием Qiskit. А Microsoft выпустила инструмент бесплатного разработчика вычислительной техники на языке Q# и симулятор квантовых вычислений. Над разработкой ПО для квантовых компьютеров работают также 1QBit, Cambridge Quantum Computing, QSimulate, Rahko, Zapata и другие компании.

Платформа Orquestra от Zapata предлагает набор вычислительных методов для квантовых компьютеров

Для работы квантовых компьютеров требуются квантовые алгоритмы. Из наиболее известных квантовых алгоритмов можно выделить три:

• Шора (разложения числа на простые множители)
• Гровера (решение задачи перебора, быстрый поиск в неупорядоченной базе данных)
• Дойча-Йожи (ответ на вопрос, постоянная или сбалансированная функция)

Квантовый компьютер работает на вероятностном принципе. Его результатом работы является распределение вероятностей возможных ответов, наиболее вероятный ответ обычно является лучшим решением.

Квантовые кубиты в физической реализации бывают нескольких типов: сверхпроводниковые, зарядовые, ионные ловушки, квантовые точки и другие.

Настоящий уровень развития технологий позволяет создать большое количество кубитов, сложность возникает с устойчивостью такой системы. Как и все квантовые системы, кубиты легко теряют заданное квантовое состояние при взаимодействии с окружением (происходит их декогеренция). При этом в работе квантового компьютера растет количество ошибок вычислений. Чтобы обеспечить ее устойчивость при проведении вычислений, требуется оградить систему от любого фонового шума, например, в случае сверхпроводниковых систем, охлаждая их до температур, близких к нулю по Кельвину (-273,1 °C). Разработчики используют сверхтекучие жидкости, чтобы добиться такого охлаждения.

Индустрия 4.0

В Москве в тестовом режиме запустили первую открытую квантовую сеть

Как объяснил Руслан Юнусов, исторически сверхпроводники считались наиболее перспективным направлением благодаря хорошей масштабируемости, стабильности во времени, контроле параметров и относительной легкости управления ими. Именно на этой платформе построены квантовые компьютеры IBM, Google и Rigetti. Однако, по его словам, в последнее время все большую популярность приобретают альтернативные квантовые платформы: ионы, демонстрирующие высочайшие на сегодняшний день показатели стабильности и точности операций (Honeywell, IonQ), и фотоны, преимуществами которых являются малый размер фотонного процессора и возможность работы при комнатных температурах (Xanadu, PsiQuantum, Quix).

Кроме того, развиваются новые концепции: системы на поляритонах или магнонах, системы бозе-эйнштейновских конденсатов, когерентные машины Изинга, когерентные CMOS-архитектуры. Так, в поляритонной архитектуре битом служит поляритон — квазичастица, сочетающая свойства света и вещества. Теоретически, поляритонный квантовый компьютер сможет работать при комнатной температуре, что снизит его стоимость и упростит изготовление. В настоящее время изучением поляритонных структур занимается Сколтех.

Для чего можно использовать квантовые вычисления?

Квантовый компьютер — это не суперкомпьютер, который все делает быстрее. Одной из целей исследований в области квантовых вычислений является изучение того, какие задачи квантовый компьютер решает быстрее, чем обычный компьютер, и насколько значительным может быть такое ускорение вычислений.

Квантовые компьютеры отлично показывают себя при решении задач, которые требуют расчета множества разных возможных комбинаций. Задачи такого типа можно найти в самых разных сферах.

Квантовое моделирование

Квантовая механика — это базовая «операционная система» нашей Вселенной. Она описывает поведение основных стандартных блоков окружающей среды. Природные явления, в том числе химические реакции, биологический обмен веществ и строение материалов, во многом основаны на квантовых взаимодействиях. Квантовые вычисления могут помочь в моделировании изначально квантовомеханических систем, например молекул, так как для представления естественных состояний можно использовать кубиты.

Квантовое шифрование

Шифрование — это метод сокрытия конфиденциальной информации с помощью физических или математических средств, таких как использование задач с высоким уровнем вычислительной сложности. Классическая криптография оперирует понятиями неразрешимости некоторых задач, таких как факторизация целых чисел или дискретное логарифмирование, многие из которых можно решать более эффективно с помощью квантовых компьютеров.

В 1994 году Питер Шор (Peter Shor) показал, что масштабируемый квантовый компьютер может взломать классические криптографические схемы, например схему Ривеста — Шамира — Адлемана (RSA), которая широко используется в электронной коммерции для защиты передаваемых данных. Эта схема основана на вычислительной сложности задачи факторизации целых чисел с использованием классических алгоритмов.

Квантовое шифрование обеспечивает секретность информации за счет использования основ физики, а не предположений о сложности. На сегодня схема RSA является безопасной, поскольку масштабируемый квантовый компьютер еще не доступен. Но когда квантовые компьютеры достигнут необходимого масштаба, квантовые алгоритмы с полиномиальным ускорением смогут решать базовые математические проблемы этих криптосистем.

В ожидании достаточно крупного и устойчивого к сбоям квантового компьютере самыми активными направлениями для исследований сейчас являются:

• оценка безопасности криптосистем определенной битовой длины после внедрения квантовых вычислений;
• оценка времени перехода с нынешних криптосистем на новые.

Алгоритмы поиска

В 1996 году Лов Гровер разработал квантовый алгоритм, который значительно ускорил поиск в неструктурированных данных и который включал меньшее количество шагов, чем любой другой классический алгоритм.

Задача поиска носит общий характер. Действительно, любую задачу, которая позволяет проверить, является ли данное значение $x$ допустимым решением (задача «да — нет»), можно сформулировать в виде задачи поиска. Ниже приводятся некоторые примеры:

• Задача логической выполнимости. Существует ли набор логических значений $x$ (присвоение значений переменным), удовлетворяющих заданной логической формуле?
• Задача коммивояжера. Является ли $x$ кратчайшим возможным маршрутом, соединяющим все города?
• Задача поиска в базе данных. Содержит ли таблица базы данных запись $x$?
• Задача факторизации целых чисел. Делится ли фиксированное число $N$ на число $x$?

Некоторые из этих задач лучше подходят для использования алгоритма Гровера, чем другие. Дополнительные сведения см. в статье о теоретической основе алгоритма поиска Гровера. Практическую реализацию поиска по алгоритму Гровера, которая позволяет решать математические задачи, вы найдете в этом учебнике.

Квантовое машинное обучение

Машинное обучение на классических компьютерах кардинально меняет сферы науки и бизнеса. Тем не менее высокие вычислительные затраты на обучение моделей препятствуют развитию и масштабированию области. Специалисты по квантовому машинному обучению изучают способы разработки и внедрения квантового программного обеспечения с поддержкой машинного обучения, которое работает быстрее, чем классические компьютеры.

Пакет средств разработки Microsoft Quantum (QDK) включает , которая позволяет выполнять гибридные эксперименты квантового и классического машинного обучения. Библиотека включает примеры и руководства, а также предоставляет необходимые инструменты для реализации нового гибридного алгоритма квантовых и классических вычислений (квантового классификатора, ориентированного на схемы) для решения задач контролируемой классификации.

Путь к реализации

Для создания работоспособных квантовых вычислительных устройств необходимо пройти ряд этапов реализации. Мы должны построить рабочие кубиты – не только пять, но тысячи. Мы должны организовать структуру из  квантовых вентилей и эквивалент проводов – если только мы не сможем заставить вентили действовать непосредственно на состояние во входном квантовом регистре. Все это сложные задачи, и график их решения непредсказуем.

К сожалению, проблемы связаны не столько с новизной проблем, сколько с законами квантовой механики и классической физики. Возможно, самая главная и наименее знакомая из них, называется декогеренцией. Роль кубит состоит в том, чтобы удерживать физический объект – например, ион, пакет фотонов или электрон — на месте, чтобы мы могли воздействовать на него и в конечном итоге измерять квантованную величину, такую как заряд или спин. Чтобы эта величина вела себя квантовым, а не классическим образом, мы должны иметь возможность ограничить ее состояние суперпозицией двух чистых базовых состояний, которые мы называли 0 и 1.

Но природа квантовых систем такова, что связывает их с вещами вокруг них, значительно увеличивая количество возможных базовых состояний. Физики называют такое размытие чистых состояний декогеренцией. Аналогией может быть когерентный лазерный луч в световоде, рассеивающийся на неоднородностях материала и размывающейся от суперпозиции двух мод в полностью некогерентный свет. Задачей создания физического кубита является как можно дольше предотвращать декогеренцию.

На деле это означает, что даже один кубит это сложный лабораторный инструмент, возможно, с использованием лазеров или высокочастотных радиопередатчиков, точно контролируемые электрические и магнитные поля, точные размеры, специальные материалы и, возможно, криогенное охлаждение. Его использование, по сути, является сложной экспериментальной процедурой. Даже при всех этих усилиях, сегодня это «как можно дольше» измеряется десятками микросекунд. Таким образом, у вас очень мало времени для выполнения квантовых вычислений, до того, как ваши кубиты потеряют свою согласованность. То есть, до того как информация исчезнет.

Сегодня эти ограничения исключают возможность больших квантовых регистров или проведения вычислений, для которых требуется более нескольких микросекунд. Тем не менее, в настоящее время в микроэлектронике ведутся исследования по созданию гораздо более обширных массивов кубитов и квантовых вентилей.

Однако сама эта работа несколько бессвязна, потому что пока нет определенности в отношении того, какое физическое явление использовать для хранения квантовых состояний. Существуют конструкции кубит, которые квантуют поляризацию фотонов, заряд электронов, захваченных квантовыми точками, чистый спин сверхохлажденных ионов в ловушке, заряд в устройстве, называемом трансмоном, и некоторые другие подходы.

Тип кубита, который вы выберете, естественно определит реализацию квантовых вентилей. Например, вы можете использовать взаимодействие радиоимпульсов с внутренними спинами в молекулах в ловушке или взаимодействие расщепителей пучков с фотонными модами в волноводах. Очевидно, что существо дела находится  глубоко в области экспериментальной физики. И, как уже упоминалось, реализация кубитов или квантовых вентилей требует использования большого количества различного оборудования, от цифровой логики до лазеров или радиопередатчиков, антенн и до криогенных охладителей.

Реализация кубит также зависит, от того каким образом измеряется состояние кубит. Вам может потребоваться сверхчувствительный фотометр или болометр, мост сопротивлений или какое-либо другое невероятно чувствительное устройство для измерения кубитов и перевода состояния суперпозиции в базовое состояние. И, кроме того, этот процесс измерения состояния кубит вызывает еще одну проблему, незнакомую традиционным вычислениям: получение неправильного ответа.

Возможные преимущества

Мы все еще не ответили на вопрос, как все это можно использовать. Ответ заключается в том, что если вы соедините подходящим образом достаточное количество квантовых вентилей вместе, и если вы можете приготовить входные кубиты представляющие все возможные числа в вашей области входных данных, тогда на выходе массива квантовых вентилей вы, теоретически, можете измерить биты, которые представляют значения некоторой полезной функции.

Приведем пример. В 1994 году математик Питер Шор, в Bell Labs, разработал алгоритм факторизации (разложения на простые сомножители – добавлено переводчиком) очень больших чисел с использованием квантовых подпрограмм

Такая факторизация является жизненно важной проблемой в прикладной математике, потому что не существует аналитического решения: единственный способ – метод проб и ошибок, и вы можете всего лишь сделать алгоритм быстрее, выбрав более искусным образом соответствующие пробные числа. Соответственно, когда вы делаете входное число очень большим, количество проб и ошибок становится огромным

Не случайно это является основой алгоритмов криптографии, подобных RSA. RSA и шифры на основе эллиптических кривых трудно взломать, особенно потому, что так трудно факторизовать огромные числа.

Алгоритм Шора объединил некоторые традиционные вычисления с двумя квантовыми функциями, которые непосредственно ускоряют алгоритм в части метода проб и ошибок, по сути, перебирая все возможные числа в одно и то же время, демонстрация работы алгоритма приведена на рисунке 3. Одна из этих квантовых функций выполняет модульное возведение в степень, а другая осуществляет квантовую версию быстрого преобразования Фурье (БПФ). По причинам, которые мог бы полюбить только математик, если бы мы ввели набор из n кубитов, подготовленных так, что вместе они представляют все возможные двоичные числа до длины n, то в квантовых вентилях различные состояния в суперпозиции взаимно компенсируют друг друга – подобно интерференции двух когерентных световых лучей – и мы остаемся с определенной структурой состояний в выходном регистре.

Рисунок 3 – Алгоритм Шора зависит от квантовых подпрограмм для модульного возведения в степень и операций БПФ. (рисунок предоставлен Tyson Williams)

Эта процедура не дает простой множитель – это лишь промежуточный шаг, который позволяет вычислить возможный простой множитель. Такое расчет выполняется путем измерения кубитов, – отметим, что здесь мы находимся в области возможности, но не точности, измерения наиболее вероятного состояния каждого кубита – а затем, чтобы убедиться в правильности результата, необходимо произвести множество обычных вычислений на обычном процессоре (CPU).

Все это может показаться безнадежно сложным и неосуществимым. Но способность квантового возведения в степень и квантового БПФ работать одновременно со всеми возможными степенями числа 2, чтобы найти наибольший простой множитель, делает алгоритм Шора быстрее, чем обычные вычисления для больших чисел, даже при использовании довольно медленных теоретических квантовых подпрограмм.

Алгоритм Шора являет собой яркий образец квантовых вычислений, потому что он одновременно не похож на обычные вычисления и потенциально чрезвычайно важен. Но он не одинок. Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) поддерживает большую библиотеку алгоритмов квантовых вычислений в своем Зоопарке Квантовых Алгоритмов, по адресу math.nist.gov/quantum/zoo/.

Являются ли эти алгоритмы просто математическими упражнениями? Пока еще слишком рано это утверждать. Но на практике исследователи действительно создали лабораторные квантовые калькуляторы с несколькими рабочими кубитами. Эти машины успешно разложили на простые множители число 15 (впервые это было сделано в IBM в 2001 году), вполне ожидаемо получив в результате 3 и 5, а текущий мировой рекорд составляет число 21 (сделано объединенной командой из нескольких институтов в 2012 году). Так что для небольших чисел идея работает. Пригодность такого подхода для больших чисел можно будет проверить только в будущем на машинах с большим количеством кубитов. И это переносит вопрос в практическую плоскость.

Когда появится первый коммерческий квантовый компьютер

Разработка квантовых компьютеров ведется уже несколько десятилетий, но только сейчас ученые подобрались к решению основных технических сложностей.

Квантовый компьютер — это безумно сложное устройство. Например, очень трудно достичь и поддерживать (одновременного существования в нескольких состояниях), которое используется для проведения операций. Нужно достичь температуры, близкой к абсолютному нулю, и защитить всю систему от любых внешних факторов. Ведь если кубиты соприкоснутся с внешней средой, квантовое устройство начнет допускать ошибки. 

Мощность квантовых компьютеров определяют количеством кубитов. У Google есть 72-кубитное устройство, мощность компьютера IBM — 50 кубитов, а стартапу D-Wave Systems удалось создать компьютер мощностью в 5 000 кубитов. 

За лидерство в разработке квантовых компьютеров борются США, Китай, Россия, Япония, ОАЭ, а также IT-гиганты и техностартапы. Лидерами гонки пока что выступают американские компании Google и IBM, но их вплотную догоняют Intel и Microsoft, International Business Machines, D-Wave Systems и Honeywell International. Недавно к этой гонке также присоединились Amazon и Alibaba, Visa, JPMorgan и даже Volkswagen.

В сентябре 2019 года Google удалось достичь квантового превосходства — квантовый компьютер выполнил за 200 секунд вычисления, на которые у мощнейшего обычного компьютера ушло бы 10 тысячелетий. В декабре 2020 года о достижении квантового превосходства заявили и китайские исследователи. Прототип квантового компьютера из Поднебесной сумел за три минуты решить задачу, на которую у самого быстрого в мире компьютера уйдет более 600 млн лет.

Полноценных квантовых компьютеров пока нет. Все действующие устройства — это лишь экспериментальные системы, которые умеют решать только специально подобранные задачи. Использовать их для универсальных произвольных задач пока нельзя.

Alphabet Inc., холдинг, которому принадлежит Google, планирует инвестировать миллиарды долларов в разработку коммерческого квантового компьютера к 2029 году. Клиенты, компании и научно-исследовательские институты через облако смогут загружать свои задания и получать результаты вычислений. Об этом заявил Хартмут Невен, ведущий разработчик квантового искусственного интеллекта (ИИ). Специально для разработки коммерческого квантового компьютера компания недавно открыла новый кампус в Калифорнии — Google Quantum AI. 

Невен уверяет, что его команда находится на грани прорыва в этой области: ученые знают, как решить большинство технических проблем, чтобы выполнить задачу к сроку. Сейчас работа ученых сосредоточена на переводе традиционных алгоритмов в алгоритмы, подходящие для квантовых вычислений, и сокращении количества ошибок, которые совершают кубиты.

Новый корпус специального подразделения Google Quantum AI. Источник 

IBM и другие компании тоже недавно объявили о технологических прорывах в области квантовых вычислений. В марте Дарио Гил, директор IBM Research, заявил, что 2023 год станет переломным — ошибки квантовых компьютеров станут экспоненциально уменьшаться с помощью программного обеспечения, а не только благодаря техническим усовершенствованиям. 

Что это за «квант»?

Квант – это не физический объект. В физике термин «квант» используется для описания наименьшей возможной части чего-либо. Это может быть «квант мощности», «квант времени» или «квант частицы». Следуя этому пути, мы придём к таким терминам, как «квантовая физика» и «квантовая механика», то есть к областям науки, имеющим дело с минимально возможными взаимодействиями или системами – на уровне атомов и даже отдельных кварков.

Мы подошли к кубиту (квантовому биту), то есть «наименьшей и неделимой единице квантовой информации». В то же время мы подходим к первой точке касания, которая говорит нам о сходствах и различиях в том, как классические компьютеры (с использованием битов) и квантовые компьютеры (с использованием кубитов) выполняют вычисления.

В классических компьютерах каждая часть информации хранится в виде последовательности нулей и единиц. Вкл/выкл – только такую информацию понимают и интерпретируют современные компьютеры, консоли, смартфоны, умные часы и умные телевизоры. То же самое и с операциями, выполняемыми с этой информацией. Просматриваем ли мы фотографии из отпуска, болтаем с друзьями в чате, играем в последнюю игру или выполняем сложные криптографические вычисления – всё происходит в двоичном формате, где либо 0, либо 1, и ничего больше.

Насколько неэффективна эта система, мы можем увидеть, когда подойдем к её пределам. И независимо от того, не хватает ли нам места на смартфоне для нового селфи или ученым приходится неделями создавать математические модели развития пандемии, вина кроется в том, что для этого нужно слишком много нулей и единиц, а места для их хранения и ресурсов для обработки не хватает.

Кубит решает эту проблему! Этот способ хранения информации использует свойства квантовой физики, которые позволяют ему оставаться в суперпозиции. Кубит может принимать любое значение от 0 до 1 – он обладает свойствами всего спектра и может составлять, например, 15 процентов в данный момент и 85 процентов – в следующий. Теоретически это позволяет хранить гораздо больше информации или ускорить вычисления, но также связано с множеством проблем, которые сложно контролировать и даже понять.

Ещё одна особенность квантовых компьютеров, которая позволяет дополнительно масштабировать вычислительную мощность – это использование квантовой запутанности. Это состояние, когда два кубита соединены друг с другом, и всякий раз, когда мы наблюдаем за одним из них, другой будет находиться в точно таком же состоянии. Запутанность позволяет группировать кубиты в ещё более эффективные единицы для записи и обработки информации.

Как блокчейны справятся с угрозой квантовых компьютеров

Пока угроза квантовых вычислений — это лишь потенциальная проблема для криптоиндустрии. Еще лет десять квантовые компьютеры не смогут претендовать на то, чтобы нарушить системы безопасности блокчейнов. Но и после их запуска, вероятно, ничего страшного не случится. 

Квантовые компьютеры вряд ли будут доступны частным лицам — эти устройства слишком дороги и сложны в использовании. Их нельзя будет купить «просто так» — поэтому ими не смогут завладеть преступники. Коммерческое использование квантовых компьютеров будет очень дорогим и по карману только крупным компаниям или, может, даже целым странам. Вероятно, квантовые устройства будут использоваться для научных и исследовательских задач. Конечно, есть вероятность, что крупные компании или власти стран захотят использовать их для взлома блокчейнов. Но у них может ничего не выйти. 

Блокчейны технологически очень сильно опережают разработки по квантовым вычислениям. Эксперты полагают, что это отставание никогда не будет преодолено. Прогресс квантовых вычислений не будет внезапным — блокчейн-разработчики смогут быть на несколько шагов впереди. 

Основные способы, с помощью которых можно обезопасить блокчейн от квантовых угроз:

• Увеличить размер приватного ключа — тогда квантовым компьютерам понадобится слишком много времени на их взлом;
• Использовать более сложный алгоритм шифрования (например, SHA-512 вместо SHA-256, который сейчас используется в сети Bitcoin); 
• Перейти на постквантовую криптографию, устойчивую к квантовым вычислениям.

Квантово-устойчивые блокчейны должны появиться раньше, чем устройства, которые смогут их взломать. И на рынке уже есть проекты, работающие в этом направлении. 

Например, блокчейны ArQit, IOTA, HyperCash, Quantum Resistant Ledger, Starkware. Все они работают на постквантовых алгоритмах, например, дереве Меркла. Пока таких проектов сравнительно немного, но, уверены, что в ближайшие годы их появится гораздо больше. Возможно, многие из них будут государственными. 

Так, например, предложения по шифрованию, устойчивому к квантовым вычислениям, начал собирать Национальный институт стандартов и технологий США (NIST). По оценкам учреждения, до появления компьютеров, способных взломать классическое шифрование, еще лет двадцать. 

Квантовый компьютер хабр. Первый коммерческий квантовый компьютер — IBM

В рамках проходящей в данный момент выставки CES 2019 подразделение IBM Research провело анонс первой в мире квантовой системы, пригодной для коммерческого применения.Анонсированный квантовый компьютер IBM Q System One включает в себя систему из 20 кубитов. Железо способно к самокалибровке и оптимизировано для работы в криогенных условиях, эти меры необходимы для уменьшения числа ошибок

Кроме того, компьютер имеет собственную высокопроизводительную криогенную систему, а по заявлению IBM допустимо проводить диагностику, обслуживание и даже модернизацию системы без её выключения, с сохранением возможности работы пользователей.Важной характеристикой, на которой производитель акцентирует внимание, является встроенный функционал для подключения квантового компьютера к облачной системе. Таким образом происходит функциональный переход от специализированных квантовых систем на чипе, используемых в экспериментальных целях, к полноценной интеграции квантовых вычислений для пользовательских систем и нужд бизнеса.В целях развития экосистемы квантовых вычислений IBM так же объявила о создании консорциума с ExxonMobil, Европейской организацией по ядерным исследованиям (ЦЕРН) и Fermilab, для поиска максимального числа задач, в которых применение подобных интегрированных квантовых систем было бы эффективно. Данная группа организаций не является закрытой и уже объявлено приглашение к сотрудничеству для иных заинтересованных сторон.Во второй половине 2019, в городе Покипси (англ

Poughkeepsie) штата Нью-Йорк, IBM планирует открыть «IBM Q Quantum Computation Center», который будет выступать штаб-квартирой развития сложных интегрированных квантовых систем и содействовать их практическому внедрению.Стоит отметить, что дизайн системы выполнен несколькими известными студиями и удивительно красив, для такого утилитарного устройства. Во многом прослеживается преемственность с первым коммерческим суперкомпьютером Cray-1. Как по форме (пусть и зеркально перевёрнутый), так и по размерам, а так же в части использования стекла.На момент составления заметки сайт IBM с промо-разделом квантового компьютера был недоступен

Данная группа организаций не является закрытой и уже объявлено приглашение к сотрудничеству для иных заинтересованных сторон.Во второй половине 2019, в городе Покипси (англ. Poughkeepsie) штата Нью-Йорк, IBM планирует открыть «IBM Q Quantum Computation Center», который будет выступать штаб-квартирой развития сложных интегрированных квантовых систем и содействовать их практическому внедрению.Стоит отметить, что дизайн системы выполнен несколькими известными студиями и удивительно красив, для такого утилитарного устройства. Во многом прослеживается преемственность с первым коммерческим суперкомпьютером Cray-1. Как по форме (пусть и зеркально перевёрнутый), так и по размерам, а так же в части использования стекла.На момент составления заметки сайт IBM с промо-разделом квантового компьютера был недоступен.