Метка: наука

Грядет прорыв в развитии квантовых компьютеров

Команда российских исследователей экспериментально доказала существование нового типа квазичастиц, что может оказать гигантское влияние на работу над первыми квантовыми компьютерами. Их существование должно было позволить заполнить многие пробелы, которые до сих пор никак не могли быть исправлены. Давайте посмотрим, что именно было обнаружено и насколько это важно для развития технологий.

Будущие квантовые компьютеры, скорее всего, будут использовать сверхпроводящие кубиты, на которые, к сожалению, сильно влияет квантовая декогоризация, что сокращает их срок службы. Это, в свою очередь, приводит к появлению вычислительных ошибок. Большие массивы кубита также трудно контролировать. И здесь появляются симуляторы квантовых метаматериалов, устраняющие последнюю проблему.

Их использование заключается в создании искусственной материи из кубитов, подчиняющейся точно таким же законам в уравнениях, как и обычная материя. Ученые также могут запрограммировать симулятор таким образом, чтобы представить материю с совершенно новыми свойствами, которые не могут быть найдены в природе. Группа ученных из НИТУ МИСиС, Российского Квантового Центра, Московского ГТУ им. Баумана, Университета ИTMO, НИИ автоматики и Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе, совместно использовали сверхпроводящую систему кубитов для разработки и создания квантового симулятора.

Открытие прокомментировал один из ученых — Илья Беседин из лаборатории Суперкондуктивных метаматериалов НИТУ МИСиС:

Регистрируя свойства кубитов, мы можем сделать выводы о более широком классе физических систем, описанных теми же уравнениями. А если изменить параметры этих уравнений контролируемым образом, то такое устройство можно считать „специализированным симулятором». Это не даст точного соответствия фактическому квантовому компьютеру, но для его масштабирования требуется гораздо меньше ресурсов. Эксперимент в конечном итоге показал, что дублоны могут также образовывать „граничное состояние”.

Достижение действительно впечатляет, поскольку оно является доказательством того, что новый тип квазичастицы, называемый топологическим возбуждением дублона, может возникнуть среди кубитовых цепей. Это, в свою очередь, приближает нас к созданию жизнеспособной технологии квантовых вычислений.

В России заработала первая линия квантовой связи

В России начала работу первая линия квантовой связи. Она имеет протяженность 700 км, что делает ее самой крупной в Европе. Строительство вели РЖД на базе собственных оптоволоконных сетей, и к 2024 г. протяженность линий квантовой связи возрастет до 7000 км, хотя изначально планировалось за этот срок развить ее до 10 тыс. км. Размер вложений к 2024 г. составит более 19 млрд руб.

Первая в России линия квантовой связи

В России заработала первая в стране линия связи по магистральному защищенному квантовому каналу. Как сообщили CNews представители РЖД, с ее помощью был осуществлен первый сеанс видеосвязи.

Магистральный канал соединяет Москву и Санкт-Петербург. Он имеет протяженность 700 км, что делает его самым крупным в Европе и вторым по величине в мире. Представители РЖД утверждают, что при строительстве канала использовались отечественные решения.

Строительством канала связи занимались РЖД. Помощь в этом компании оказывали Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (ИТМО), а также компании ООО «Специальный Технологический Центр», ООО «СМАРТС-Кванттелеком», ООО «Амикон».

Физическая основа квантовых сетей в данном случае – это магистральные оптоволоконные каналы РЖД.

Первый сеанс видеосвязи по российской квантовой сети прошел успешно

Сеанс связи был осуществлен при участии российского вице-премьера Дмитрия Чернышенко. С его слов, квантовыми коммуникациями интересуются как частные корпорации, так и государственные органы. Чернышенко добавил также, что развитие квантовых сетей в России продолжится, и до 2024 г. их протяженность увеличится до 7000 км.

Председатель правления ОАО «РЖД» Олег Белозеров, тоже принимавший участие в запуске 700-километрового квантового канала связи, назвал этот проект плотным. Он заявил, что на его реализацию ушло меньше года.

Как работают квантовые коммуникации

Основная задача квантовых сетей заключается в безопасной и быстрой передаче данных на большие расстояния. Такие сети базируются на оптоволоконных кабелях. Передаваемые по ним данные шифруются алгоритмом квантового распределения ключей.

700-километровый участок квантовой сети РЖД через станет первым участком всероссийской сети протяженностью в тысячи километров

Под этим алгоритмом подразумевается создание двух произвольных ключей, по одному для каждой из сторон передачи информации, и выработку общего произвольного ключа, необходимого для шифровки и дешифровки передаваемых данных фотонах. Общий ключ известен только «собеседникам», что исключает возможность несанкционированного перехвата.

В случае осуществления попытки несанкционированного получения доступа к передаваемой информации без ключа дешифровки сами данные будут искажены, поскольку измерение квантового состояния фотона невозможно без внесения в него изменений. Этот принцип лежит в основе квантовой криптографии. Она была предложена более полувека назад, в 1970 г. израильским физиком-исследователем Стивеном Визнером (Stephen Wiesner) и канадским физиком-теоретиком Жилем Брассаром (Gilles Brassard).

Как РЖД связаны с квантами

РЖД – один из инициаторов развития квантовых сетей в России. Об интересе компании к этому направлению стало известно в июле 2019 г, когда она подписала соглашение о намерениях с Правительством России. На церемонии подписания присутствовал Президент России Владимир Путин, а его цель заключается в ускорении технологического развития и достижения Россией позиции одного из лидеров на глобальных технологических рынках в сфере квантовых коммуникаций.

К январю 2020 г. у РЖД был готов проект «дорожной карты» развития квантовых сетей. В Согласно нему, компания планировала вложить в них 24,7 млрд руб. до 2024 г. включительно. Половину этой суммы (12,9 млрд руб.), как было указано в проекте, предлагалось взять из бюджета страны, 5,3 млрд руб. хотели выделить сами РЖД, а 6,5 млрд руб. планировалось привлечь из внебюджетных источников.

В конце июля 2020 г. проект «дорожной карты» претерпел ряд изменений, в том числе и по части размеров вложений. Сумма уменьшилась до 19,3 млрд руб. за период до 2024 г. включительно. Из этой суммы федеральный бюджет выделит 13 млрд руб., внебюджетные источники – 6,5 млрд руб., а РЖД – 5,3 млрд руб.

«Дорожная карта» РЖД была принята властями в конце лета 2020 г., о чем сообщил Дмитрий Чернышенко во время запуска соединившего две столицы квантового канала. «Дорожная карта по квантовым коммуникациям была подписана только в августе прошлого года, но уже сейчас есть конкретный результат – квантовая сеть, которую мы сегодня запустили», – сказал вице-премьер.

Специально для развития квантовых сетей в РЖД в августе 2019 г. было создано отдельное подразделение – Департамент квантовых коммуникаций. Как сообщал CNews, основная цель нового отдела заключается в повышении эффективности бизнес-процессов РЖД, безопасности железнодорожного транспорта, а также наращивание эффективности использования инфраструктуры российской железнодорожной сети.

Планы на будущее

Олег Белозеров сообщил, что РЖД планируют и дальше работать над развитием квантовых сетей в России. «По дорожной карте мы должны реализовать 120 проектов, 75 продуктов и сервисов», – отметил он, добавив, что магистральная квантовая сеть Москва – Санкт-Петербург даст возможность «апробировать новые технологические решения, внедрить критически важные сервисы».

Глава РЖД также сообщил, что компания примет участие в организации проектов по внедрению отечественных программных коммуникационных систем в деятельность исполнительных органов государственной власти Санкт-Петербурга. Для этого РЖД собираются использовать свой опыт в построении системы коммуникаций и применения технологий искусственного интеллекта.

Первая версия проекта «дорожной карты» РЖД гласила, что российский рынок квантовых коммуникаций вырастет как минимум до 55 млрд руб. к 2024 г. По прогнозам компании, к этому времени он должен занять около 8% глобального рынка квантовых сетей.

Следует отметить, что в проекте «дорожной карты» в январе 2020 г. говорилось о наращивании суммарной протяженности российских квантовых сетей до 10 тыс. км. к 2024 г. Спустя полтора года Дмитрий Чернышенко озвучил прогнозы о протяженности 7000 км. С чем связано понижение ожиданий, остается неизвестным.

Эльяс Касми, автор.