В России создан квантовый компьютер «на ионах»
Российские ученые создали прототип квантового компьютера на ионах. На его основе к концу 2024 г. будет построен универсальный квантовый компьютер с облачным доступом. Прототип создан в рамках «дорожной карты» по квантовым вычислениям, выполняемой «Росатомом». В 2021 г. госкорпорация направила на развитие квантовых технологий и создание необходимой исследовательской инфраструктуры более 6 млрд руб. До 2024 г. на создание квантового компьютера будет выделено более 23 млрд руб.
Ученые из Российского квантового центра и Физического института имени П. Н. Лебедева РАН создали прототип квантового компьютера на ионах. На созданной базе к концу 2024 г. будет построен универсальный квантовый компьютер с облачным доступом, говорится в официальном сообщении «Росатома».
Квантовые компьютеры — это новый класс вычислительных устройств, которые благодаря использованию квантовых эффектов способны решать задачи, недоступные самым мощным «классическим» суперкомпьютерам. В частности, это моделирование поведения сложных молекул для разработки новых лекарств и материалов, решение сложных логистических задач, работа с большими данными и многие другие, пишет «РИА новости».
Нынешний прототип разработан в рамках российской «дорожной карты» по квантовым вычислениям, выполняемой «Росатомом». Госкорпорация выступает интегратором и координатором взаимодействия ведущих научных центров страны и технологического бизнеса.
В 2021 г. «Росатом» направил на развитие квантовых технологий и создание необходимой исследовательской инфраструктуры более 6 млрд руб. На эту сумму было закуплено оборудование и укомплектованы первые лаборатории. До 2024 г. на создание квантового компьютера суммарно будет направлено более 23 млрд руб. бюджетных и внебюджетных средств, отметила Екатерина Солнцева, директор по цифровизации госкорпорации «Росатом».
Что известно?
Исследователи построили 66-кубитный квантовый компьютер. Используя две различные технологические парадигмы, фотонную и сверхпроводящую, они смогли запустить определенные алгоритмы в масштабе, который, предположительно, был бы слишком сложным для классического компьютера.
Для сравнения, система Sycamore от Google — это 53-кубитная система, и, по словам китайской исследовательской группы, она может использовать только сверхпроводящую парадигму.
Что такое квантовое преимущество?
Квантовые компьютеры в будущем действительно могут заменить собой обычные, но на данный момент они далеки от совершенства. Однако, даже имея при себе всего лишь несколько кубитов, некоторые задачи они решают в тысячи раз быстрее даже самых мощных компьютеров. Такие достижения называются квантовым преимуществом и в 2019 году таким успехом поделилась компания Google. Разработанный ею квантовый компьютер Sycamore решила одну сложную задачу за 3 минуты. А для суперкомпьютера Summit для этого потребовалось бы более 10 000 лет. Но скептики отметили, что при правильной настройке компьютер Summit справился с задачей за несколько дней. Так что факт достижения квантового превосходства компанией Google до сих пор подвергается сомнению.
Квантовый компьютер Sycamore
Интересный факт: изначально упомянутый выше термин звучал как «квантовое превосходство». Но потом это словосочетание сочли неполиткорректным и заменили на «квантовое преимущество».
Китайский квантовый компьютер
В 2020 году достигнуть квантового превосходства попытались китайские ученые. Для этого они разработали компьютер, предназначенный для решения задачи по сэмплированию бозонов. Если говорить очень коротко, то системе нужно было рассчитать прохождение частиц света (фотонов) через оптический прибор. Эта задача была сформулирована несколько лет назад, но математическую формулу для ее решения создать попросту невозможно. По словам авторов научной работы, суперкомпьютеру TaihuLight для решения этой задачи потребовалось бы около 2,5 миллиардов лет. Но квантовый компьютер справился с задачей всего за 200 секунд.
Один из самых мощных компьютеров в мире — Sunway TaihuLight
Решение стало возможным благодаря одной хитрости. Так как в задаче речь идет о частицах света, вместо кубитов в компьютере использовались такие же фотоны. Таким образом ученые упростили задачу прямо «на уровне железа». Получается, что исследователям действительно удалось достичь квантового превосходства. Но и на это раз без критики не обошлось. Дело в том, что созданное для решение задачи устройство можно назвать компьютером лишь с большой натяжкой. В нем используются квантовые вычисления при помощи кубитов, но его нельзя программировать. То есть, на данный момент такой компьютер нельзя использовать для решения других задач. Но факт того, что квантовое преимущество достигнуто, уже есть.
Однако, с течением времени программируемая система на основе квантов все равно наверняка будет создана. Когда это случится, технологии станут развиваться с молниеносной скоростью. Например, человечество сможет быстро изобретать лекарства от опасных заболеваний и даже узнавать тайны Вселенной.
Бег за лидерами
— Конкуренция в «квантовом» мире жесткая или жестокая?
— Скажу так: в лоб тяжело, конечно, конкурировать. Например, Китай сейчас собирается потратить на очередной квантовый центр 11 миллиардов долларов. Германия, Япония, не говорю уж о США, тоже тратят гигантские суммы на развитие квантовых технологий. У нас экономика всего 2 процента от мировой, поэтому позволить себе суммы, как в Китае или США, мы просто не в состоянии. Однако программа по созданию КК у нас тоже запущена. Мы догоняем всех. Бежим за лидерами и стараемся не отстать от основной группы.
— Честно? Как создать 100-кубитный прототип квантового компьютера к 2024 году — мы понимаем. А вот как выйти в лидеры в этой области — пока нет.
— Канадская фирма D-Wave объявила недавно, что любой желающий может купить ее квантовый компьютер за 15 миллионов долларов. Может, вам стоит прицениться, надо же с чего-то начинать.
— Прицениваться не к чему (улыбается). Это опять-таки не компьютер, а симулятор. Хотя, не спорю, какие-то квантовые эффекты в его работе есть. Но о чем это говорит? Гонка ускоряется, и бежать нам надо, как у Высоцкого «Я на десять тыщ рванул, как на пятьсот. «
Российские разработки
Руслан Юнусов, руководитель проектного офиса по квантовым технологиям госкорпорации «Росатом», рассказал, что в 2016 году при поддержке Фонда перспективных исследований стартовал первый в России проект по созданию квантовых информационных систем на основе сверхпроводящих кубитов. А в 2018 году начался пилотный проект по развитию двух других платформ квантовых вычислений: нейтральных атомов в оптических ловушках и интегральных оптических чипов.
Специалисты Национальной квантовой лаборатории в 2021 году сообщили о создании прототипа квантового компьютера совместно с РКЦ и ФИАНом. Он работает на платформе из 20 ионов, захваченных электромагнитной ловушкой. Сейчас ученые пытаются проводить на ионной платформе прикладные вычисления, моделируют и тестируют алгоритмы.
Они планируют создать действующий образец квантового процессора на сверхпроводниках к концу 2024 года.
Пятикубитный прототип процессора продемонстрировали также в Лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ. Она уже прошла ряд испытаний. Тесты показали, что элементы схемы работают с заданными параметрами.
В июне 2021 года Российский квантовый центр, НИТУ «МИСиС», Университет ИТМО, МГТУ им. Баумана, Росатом и Институт Иоффе создали квантовый симулятор на основе массива из 11 сверхпроводящих кубитов.
Кроме того, ученые из Национальной квантовой лаборатории и Российского квантового центра совместно с исследователями из Федеральной политехнической школы Лозанны разработали миниатюрные источники оптических гребенок. Их применение может произвести революцию во многих областях, где на данный момент используются лазеры: в медицине, здравоохранении, безопасности, телекоммуникациях и даже в умных городах.
Российские ученые работают и над специализированным облачным софтом. В апреле 2021 года Российский квантовый центр запустил универсальную облачную платформу квантовых вычислений, которая позволяет решать прикладные бизнес-задачи на квантовых процессорах без специальных знаний в квантовой механике. Свою собственную платформу представил и Центр квантовых технологий МГУ им. М.В. Ломоносова.
«На сегодняшний день основным заказчиком квантовых технологий в России является государство — во многом это объясняется стратегической важностью квантов. Тем не менее, квантовые вычисления будут полезны бизнесу, обрабатывающему большое количество данных и решающему сложные расчетные задачи. Например, в области финансов и инвестиций, энергетики, транспорта, логистики, химии и фармацевтики», — подчеркивает Юнусов.
Что такое квантовый компьютер?
Если говорить коротко, в классических компьютерах для хранения информации используются биты. А в квантовых компьютерах для этого используются так называемые кубиты, которые вмещают в себя гораздо больше данных. Именно поэтому считается, что квантовые компьютеры потенциально гораздо мощнее, чем классические. Только вот на данный момент ученые не умеют управлять большим количеством кубитов и в квантовых компьютерах их насчитывается всего лишь несколько десятков. А вот в обычных компьютерах количество оперативной памяти составляет несколько гигабайт, то есть десятки миллиардов (!) битов.
На данный момент квантовые компьютеры выглядят примерно так
Что такое квантовые компьютеры
Квантовый компьютер – это сверхмощное вычислительное устройство, которое обрабатывает информацию примерно в 100 трлн раз быстрее традиционного компьютера. Такая скорость пригодится для обработки больших данных, моделирования нейросетей, и много чего еще из того, что мы называем технологиями будущего.
У этой медали есть и другая сторона. Разработчики утверждают, что квантовый компьютер разрушит современную систему компьютерной безопасности. С такой скоростью обработки данных ничего не стоит за секунды проанализировать терабайты информации и взломать любой криптографический код.
Вот пример: банковские транзакции и сообщения шифруются при помощи алгоритма RSA. Подбирать к нему ключи на обычном компьютере придется десятки, а то и сотни тысяч лет. Квантовый справится с задачей за минуты.
«Сегодня мы находимся на стадии, когда у нас есть квантовые компьютеры – мы можем использовать их, программировать их. Мы в поиске устойчивых способов их индустриализации и стабилизации технологии. Также мы продолжаем учиться создавать алгоритмы для них», – так прокомментировал прогресс в сфере разработок квантовых компьютеров амбассадор IBM в Европе, доктор компьютерных наук Марк Мэттингли-Скотт во время одной из своих лекций.
Эксперт уверен, что человечество готово к таким машинам и последствиям их работы.
Как работает квантовый компьютер
Квантовый компьютер, в отличие от обычного, оперирует не битами (единица измерения информации в двоичной системе счисления), а квантовыми битами, или кубитами. Эта технология ускоряет работу устройства в сотни раз.
На аппаратном уровне квантовый компьютер тоже сложнее своего предшественника. В нем больше деталей и для эффективной работы ему необходимо постоянное охлаждение.
Какие квантовые компьютеры есть на рынке
Прототипы квантовых компьютеров появились в конце двадцатого века. Осенью 2019 года компания Google представила последнюю разработку, продемонстрировав новые возможности квантовых вычислений.
Эксперимент NASA показал, что машине потребовалось 3 минуты и 20 секунд для того, чтобы произвести расчет, на который самому мощному на тот момент суперкомпьютеру Summit (IBM) потребовалось бы около 10 тыс. лет.
Обзор квантового компьютера Google:
По неизвестным причинам команда NASA удалила отчет, но его успели скопировать журналисты The Financial Times.
В начале декабря 2020 года на рынке появился новый, еще более мощный квантовый компьютер, созданный группой китайских ученых под руководством известного физика Пань Цзяньвэй (Pan Jianwei). По результатам тестов, опубликованных в журнале Science, производительность устройства превысила показатели компьютера Google в 10 млрд раз, а современного суперкомпьютера – в 100 трлн раз.
Видеорепортаж с обзором китайского квантового компьютера:
При этом разработчики не рассказали, сколько стоит квантовый компьютер нового поколения.
Квантовые компьютеры на службе государства
Разработчики нового квантового компьютера считают, что создание такой машины приблизило Китай к квантовому превосходству. Высокопроизводительное устройство, способное оперативно решать сложные задачи, даст стране преимущества в различных отраслях, от химии до искусственного интеллекта и анализа больших данных.
На видео ниже Пань Цзяньвэй презентует этапы формирования «квантовой коммуникации» на базе собственных разработок и проводит параллели с развитием человеческой цивилизации.
Разработчик отметил, что 100 тыс. лет назад Человек разумный (Homo sapiens) победил в эволюционной борьбе более приспособленных к выживанию Неандертальцев (Homo neanderthalensis), потому что научился общаться и обмениваться информацией.
В 21 веке люди продолжают развивать коммуникацию, но уже на квантовом уровне. Цзяньвэй уверен, что работа в этом направлении будет основой дальнейшей эволюции человечества.
Как квантовые компьютеры стали врагами майнеров
Наличие сверхмощного вычислительного устройства даст человеку или группе людей преимущество и контроль над сетью, поставив под угрозу индустрию добычи криптовалют.
Для майнинга нужно высокопроизводительное оборудование. Участники рынка цифровых активов используют вычислительные мощности своих компьютеров, чтобы решать математические задачи. Одни работают на бытовых компьютерах, другие приобретают специальные устройства для добычи криптовалют – асики.
Вознаграждение получает тот, кто решит задачу раньше остальных, поэтому, чем выше производительность компьютера, тем больше шансов опередить конкурентов и получить награду. Иногда майнеры объединяют компьютерные мощности и решают задачи совместно. Единственный минус – прибыль приходится делить на всех участников пула.
Но майнеров равно много, они рассеяны по всему миру, так достигается эффект децентрализации.
Распределение добытых блоков по майнерам и пулам за последние 4 дня. График от 10 декабря 2020 года. Данные: blockchain.com
На графике видно, что активность майнеров в сети биткоина распределена между частными лицами и крупными пулами. Все участники сети конкурируют за право получить награду – поэтому на рынке нет единогласного лидера.
Совокупный объем вычислительных мощностей, которые майнеры подключили к сети биткоина, называют хэшрейтом. Благодаря соперничеству сторон, на рынке добычи криптовалют сохраняется равновесие – ведь все работают примерно на одном и том же оборудовании.
График хэшрейта биткоина. Данные: blockchain.com
Квантовые компьютеры могут нарушить этот баланс, перехватив 51% хэшрейта биткоина (так называемая атака 51%). Тот, кому принадлежат эти вычислительные мощности, получит контроль над сетью криптовалюты.
Такой захват власти нарушит работу сети и блокирует подтверждение транзакций. Кроме того, из-за атаки 51% возникнет угроза двойной траты.
Чтобы реализовать такую атаку при помощи компьютеров и асиков потребуется колоссальное количество денег и электроэнергии. Квантовый компьютер, подключенный к сети криптовалюты, решит эту задачу быстрее и дешевле.
Больше информации о майнинге криптовалют – его особенностях и вариантах работы вы сможете узнать из нашего материала.
Почему квантовые технологии угрожают криптовалютам
Перехват большей часть хэшрейта в сети биткоина и других криптовалют, при создании которых разработчики использовали криптографию, может полностью вывести проект из строя. Противостоять таким действиям смогут только пользователи, в распоряжении которых есть устройства с аналогичными показателями мощности.
На практике, такая схема вряд ли будет доступна. Дело в том, что купить квантовый компьютер сегодня, чтобы противостоять врагу – задача практически невыполнимая. Соответственно, атака со стороны владельца такого устройства на сеть биткоина может оказаться для нее фатальной.
По мнению аналитиков компании Deloitte, при помощи квантового компьютера, в том числе, можно организовать кражу криптовалюты (через задействование его вычислительных мощностей для подбора кодов доступа). В ходе своих работ, исследователи пришли к выводу о том, что уровень угрозы зависит от типа хранения монет. В зоне повышенного риска, по их подсчетам, находится, как минимум, 25% всех добытых биткоинов.
График квантовой уязвимости биткоинов. Данные: Deloitte
CEO британской криптографической компании Post-Quantum Андрисен Ченг (Andersen Cheng), в свою очередь, отметил в ходе интервью для DeCrypt, что сегодня участники криптосообщества должны заняться разработкой инструментов противодействия квантовым взломам. В противном случае, по его мнению, разрушительная сила таких машин может уничтожить биткоин.
Интересный факт! В настоящий момент созданием пост-квантовых криптографических алгоритмов занята команда Национального института стандартов и технологий США (NIST). При помощи разработок компании, в теории, в сети криптовалюты можно будет запрограммировать форк, чтобы организовать ответвление блокчейна. Новая «ветвь» сможет продолжить безопасную работу на базе нового, устойчивого к атакам квантовых компьютеров алгоритма.
Разработка NIST может появиться на рынке к 2022 году. До этого времени криптосообщество будет находиться в состоянии «квантовой неопределенности» своего будущего.
Несмотря на обозначенные риски, в сети также можно встретить мнения, согласно которым исходящая от квантовых компьютеров угроза биткоину чрезмерно преувеличена.
Чего еще боятся участники криптосообщества
Недавно популярный в криптосообществе аналитик, автор S2F-модели прогнозирования PlanB провел среди своих читателей опрос. Его темой стали главные риски, с которыми может столкнуться биткоин.
Квантовые компьютеры, несмотря на их разрушительную силу, оказались лишь на втором месте. При этом самой страшной, по мнению участников криптосообщества, угрозой стало регуляторное давление со стороны властей. В список других опасностей пользователи сети включили следующие пункты:
- Централизованный майнинг. Дело в том, что свыше 70% хэшрейта биткоина находится в Китае. В случае, если власти КНР получат контроль над местными майнерами, сеть криптовалюты может оказаться под угрозой.
- Мошенническое программное обеспечение и взломы.
- Производные финансовые инструменты.
- Форки – новые, улучшенные версии BTC.
В заключение
Как видим, не стоит опасаться, что однажды мы проснемся, а квантовые компьютеры взломали блокчейны биткоина и других криптовалют. Квантовые вычисления действительно теоретически могут это сделать, но до этого момента еще как минимум десятилетие, да и тогда это будет возможно лишь в идеальных лабораторных условиях.
Но самое главное, что сама блокчейн-технология не стоит на месте и развивается гораздо быстрее, чем квантовые разработки. С этой точки зрения квантовая угроза лишь делает блокчейн еще надежнее. К моменту, когда квантовые компьютеры будут способны взломать современный блокчейн, тот уже давно станет квантово-устойчивым.
