За последние 30 лет многое из того, что казалось фантастикой и далеким будущим, стало обыденностью. Мобильный телефон из «кирпича» превратился в тонкий элегантный девайс, появилась «умная» техника и даже «умные дома». Изменились автомобили и самолеты, скоро на смену людям во многих профессиях придут роботы, а ИИ уже рисует картины, пишет тексты и обрабатывает информацию. Компьютеры становятся все сложнее и мощнее, а интернет обретает новые скорости. Итак, что дальше? Давайте поговорим о квантовых компьютерах и квантовом интернете.
Использование квантовой механики для решения проблем, которые недоступны для цифровых компьютеров, витает в научных кругах довольно давно. Сейчас речь идет о том, сможет ли квантовый интернет стать отдельным ответвлением обычного интернета? То бишь – доступным для широких слоев населения?
Итак, пока двумя основными перспективами применения квантовой сети называют возможность увеличения вычислительной мощности и обеспечение шифрования коммуникаций, недоступных для взлома.
В качестве актуальных для науки аспектов применения также называют сетевое взаимодействие телескопов в астрономии, которое обеспечит более высокое разрешение наблюдаемой картины космоса и синхронизацию атомных часов во всем мире. Так что пока речи о бытовом применении квантового интернета не идет.
С чего все начиналось? Немного исторических фактов:
Еще в далеком 1998 году был совершен первый успешный шаг в области квантовых вычислений: впервые в качестве эксперимента были созданы двухкубитные квантовые компьютеры на основе ЯМР (ядерного магнитного резонанса) и продемонстрировано выполнение квантового алгоритма, но без концепции применения квантового интернета как сети.
С 2010-х годов различные группы исследователей всего мира пытаются разработать чипы, позволяющие обычному компьютеру подключаться к квантовой сети. но на начальном этапе развития технологии в нее можно будет входить только для определенных задач.
В 2017 году австралийские ученые разработали для квантового интернета кристалл, легированный ионами эрбия.
В 2019 впервые был разработан протокол квантового интернета.
В 2020 работой над квантовым интернетом занимаются сразу несколько стран:
В России на разработку платформы для квантового интернета РВК предоставляет 300 млн рублей. Японские ученые работают над созданием глобальной квантовой криптосети. Физики Британии бьются над разработкой доступного квантового интернета. В США так же начинается работа ученых над квантовым интернетом.
В 2023 проходит первая телепортация квантовой энергии.
В 2024 идет работа над разработкой твердотельных кубитов для гибридных квантовых сетей.
И наконец, только в 2025 г квантовые данные впервые были переданы по протоколу IP. Произведено первое выполнение квантовой телепортации с записью состояния в твердотельную память. А также произведен запуск квантовой связи по обычному оптоволокну длиной 104,8 км со скоростью 2,38 кбит/с. А это уже серьезный шаг от теории к практике.
Что мы знаем о квантовых компьютерах и квантовом интернете? Каковы перспективы их применения в Казахстане? Начиная работу над статьей, пришлось столкнуться с тем, что специалистов в данной области практически нет, и люди по непонятной причине бояться говорить на эту тему. Возможно, из опасений, дабы не ошибиться и не прослыть некомпетентным….
С большим трудом удалось отыскать только двоих спикеров, согласившихся поговорить на данную тему. И первый из них Тахир Такабаев, предприниматель, кандидат физико-математических наук, человек, первым построивший в Алматы коммерческий независимый ЦОД. И отметим, – один из экспертов нашего портала.
Корр: «Начнем с самого начала. Для чего было изобретать квантовый компьютер»?
Тахир Маратович: «Если брать весь технический прогресс современной компьютерной техники, то он движется прежде всего в сторону увеличение производительности и в сторону улучшения элементной базы. Если говорить о квантовых компьютерах, то это некое устройство для увеличения производительности компьютерных вычислений. Причем все это делается не ради некоего теоретического любопытства, а в конкретных коммерческих целях. К примеру, в свое время Ротшильд смог обогатиться, монетизировав скорость получения информации о победе англичан над Наполеоном в битве при Ватерлоо. Апологетами идеи квантовых вычислений предполагается, что применение квантового компьютера и его развитие сможет кардинально увеличить скорость компьютерных вычислений. Ожидается, что эффект от такого скачка производительности квантовых компьютеров будет сопоставим с такими революционными достижениями, как ядерная энергетика, которая в свое время кардинально изменила возможности энергетики в целом. Или еще более наглядный пример – достижение первой космической скорости. За счет этого стала развиваться космонавтика, соответственно, другой спектр технологий и материалов. Другие задачи и цели».
Корр: «На чем основана работа Квантового компьютера»?
Тахир Маратович: «Современные компьютерные вычисления базируются на двоичной математике, в основе которой лежат такие понятия, как Бит – двоичный разряд, принимающий одно из двух значений – ноль или единица. Биты объединяются в Байты-8 двоичных разрядов. Вся информация в современных ИКТ – символы, знаки, графические объекты и т.д. описываются этими двоичными символами и в итоги принимают последовательность нолей и единиц. Весь Интернет это – миллиарды миллиардов нолей и единиц. Эти последовательности нолей и единиц легко можно декодировать в привычную форму с помощью таблиц ASCII либо различных протоколов и форматов.
Почему так произошло? Потому что возможна четкая и понятная физическая интерпретация нуля или единицы. Ток есть – единица, тока нет – ноль. Свет горит – единица, света нет – ноль. И далее, эти физические аналоги ноля и единицы относительно легко реализуются технически с помощью транзисторов или магнитных дорожек на дисках в хранилищах данных. В передаче данных ноли и единицы реализуются с помощью электромагнитных всплесков в медных кабелях либо с помощью всплесков света в оптических кабелях. Остаётся только увеличивать количество транзисторов, плотность магнитных дорожек, чтобы увеличить производительность, скорость обработки, скорость передачи, ёмкость хранения. К слову сказать, исторически были машины, основанные на троичной системе исчислений: 0,1,-1. И эти системы, например, машина Сетунь советского производства, опережали аналоги. Но они не стали развиваться по ряду причин.
Согласно эмпирическому Закона Мура, количество транзисторов в процессорах и интегральных схемах удваивается каждые два года. Именно поэтому мы видим каждые два года обновление флагманских моделей сотовых телефонов. В современном процессоре более 20 миллиардов транзисторов. Скорости передачи данных подошли к 100 терабит в секунду. Максимальный жесткий диск уже 40 Тб. И, хотя многие специалисты говорят, что Закон Мура уже не всегда актуален. Но я считаю, что он пока еще имеет место быть.
С другой стороны, технически некоторые устройства могут опережать прогнозное удвоение по закону Мура. То есть быть мощнее не в два раза, а в три, чем предыдущее поколение. Но, увеличение производительности достигается такой ценой, что это устройство просто не будет востребовано рынком.
Квантовые вычисления базируются на понятии Кубит (сокращенно от Квантовый Бит). То есть, чтобы разобраться в идее квантовых вычислений, надо разбираться с Квантовыми Битами – Кубитами. Само понятие кубита и его свойство как суперпозиция разных состояний очень сложно воспринимается. Понять, кубит равен нулю или единице, можно только с помощью методов теории вероятности. Я, как математик, скажу, что теория вероятности среди самих математиков не всегда легко воспринимается. То есть, если у нас профессиональных математиков не так много, то специалистов, владеющих аппаратом вероятностных вычислений, в десятки раз меньше. Если учесть еще, что, например, в Казахстане через 10-15 лет после окончания ВУЗа в профессии остаются 3-5%, то, по сути, специалистов, способных работать над архитектурой квантового процессора, просто единицы. Это только способных работать и не факт, что они будут этим заниматься.
Одной из физических интерпретаций кубита как элементарной единицы информации является атом. И если в современных ИКТ при обработке нолей и единиц используется так называемая Булева алгебра. Её основные правила 0+0=0, 0+1=1,1+0=1, 1+1=0 легко реализуются в транзисторных микросхемах. То поведение атома описывается уравнениями квантовой механики, которые еще очень далеки просто от постановки задачи, не говоря уже об устойчивых решениях и о технической интерпретации этих решений. Специалистов по квантовой механике тоже, в общем-то, немного.
В классических ИКТ существуют рабочие понятия потери пакетов. Есть алгоритмы контроля потерь данных, анализа ошибок. В квантовых компьютерах, возможно, вычисления с кубитами могут производиться быстрее с обычной микропроцессорной техникой. Но алгоритм проверок возможных ошибок, возможно, просто «съест» эту разницу. То есть вместе с технологическим прорывом нужны и результаты фундаментальной науки, которых может и не быть вообще. Некоторые теоремы доказываются веками.
Поведение атома на практике очень нестабильно. Оно сильно зависит от температуры окружающей среды. Чтобы минимизировать влияние окружающей среды, все измерения кубита , то есть атома, проводятся при температуре абсолютного нуля – минус 273С. Вот у вас дома холодильник дает в рабочей камере +5С, а в морозильнике до -7С. Быстрая заморозка достигается при -30С. А теперь представьте, насколько мощным должен быть условный холодильник вокруг кубита. Как минимум криогенная установка вокруг одного кубита должна быть. Это ж какие энергозатраты и технологические сложности! Допустим, пришел головастый физик-теоретик, который создал уравнение, но ведь нужны и «железячники», которые создадут такие холодильники. На сколько энергоемким окажется такой компьютер? Поскольку кубит принимает в разы больше состояний. Если у нас много кубитов, то, возможно, потребуется столько же криогенных охлаждающих камер. Сколько энергии они будут потреблять?
А сколько кубитов должно быть в работе? Для одного квантового компьютера явно не один. На данный момент известна реализация квантового компьютера с 20 кубитами. Даже с учетом множественной интерпретации каждого кубита этого мало, чтобы решать современные задачи на петабайты программного кода и данных. Современные суперкомпьютеры могут обрабатывать миллиарды-миллиардов бит, миллионы байт. А квантовый компьютер – 20 кубит. То есть до промышленной эксплуатации еще очень далеко.
Технологические пределы передачи на какой то скорости тоже ограничены. Если сравнивать с обычным компьютером, допустим при передаче информации, скажем, с устройств хранения, то шнур USB type C будет не более 1,5 м и зависит от мощности источника питания. По квантовому компьютеру тоже есть ограничения».
Корр: «Что необходимо Казахстану, чтобы проводить исследования в области квантовых компьютеров и квантового интернета»?
Тахир Маратович: «В первую очередь надо изменить финансирование науки. Как можно фактически заставлять тратить время на заявки по грантам специалистов по квантовой механике и теории вероятности? Это люди с совершенно с другим складом ума, решающие сложнейшие уравнения и задачи, названия которых даже выговорить трудно. А с них еще и требуют коммерциализацию. Для развития фундаментальной науки нужно не грантовое финансирование.
Если науку и единицы этих ученых не могут содержать, то результата не будет.
Об этом должно заботиться государство в первую очередь.
Вторая проблема – в одиночку такие задачи не решаются. Один человек не потянет. Нужна целая команда людей. И не одна, а несколько команд. И не просто людей, а специалистов, которых готовят высшие учебные заведения. Как у нас готовят специалистов и их уровень – вопрос отдельный…
В-третьих, кроме тех, кто создает теорию, нужны «железячники», которые создадут базу. О чем говорить, если у нас даже свои бытовые кондиционеры собираются из китайских запчастей. А здесь нужны, грубо говоря, «холодильники», которые могут создать температуру – 273 градуса по Цельсию (абсолютный 0 по Кельвину). И такие технологии еще не скоро появятся в Казахстане».
Корр: «Если мы сравним Казахстан в другими странами? Хотя бы нашими ближайшими соседями»?
Тахир Маратович: «В России сохранили и физику, и квантовую механику, и ядерную физику. Они работают и над этим вопросом.
В Китае совершенно другое финансирование науки, у них куда больше возможностей, поскольку для разработки новых идей идет достаточное финансирование и обеспечение всем необходимым. Если лаборатории попадают в перечень господдержки, то они оснащены на два порядка сильнее наших университетов и НИИ».
Корр: «На сколько квантовые компьютеры и квантовый интернет отдаленное будущее»?
Тахир Маратович: «Пока еще рано говорить, что это совсем близкое будущее и будет скоро использоваться на практике. Если он обрабатывает 20 кубитов, то пока ему до современных алгоритмов очень далеко. Сколько прошло времени с первых компьютеров до того, что есть сейчас? Около 45-50 лет. Возможно, пройдет не один десяток лет»…
Корр: «Область применения»?
Тахир Маратович: «Приложений, как у предполагаемого суперкомпьютера, среди суперкомпьютеров может быть много. Опять же, картина космоса. Нужно миллиарды звезд с их координатами сложить. Использовать такое железо для работы gove tech, это из пушки по воробьям. А если там пока только 20 кубитов, он технологически пока слабее суперкомпьютера. Может, конечно, в перспективе когда-нибудь…
Корр: «То есть пока все идет на уровне первых опытов и разработок»?
Тахир Маратович: «Да, естественно. Вся история казахстанских IT шла в сторону адаптации техники и импортных алгоритмов.
Возможно, наши физики и смогут работать в кооперации с зарубежными учеными. У нас есть и очень сильные математики. Но способных продвинуть уровень страны в описанных направлениях – единицы. Нет технологической базы. Нет практических задач.
Я бы на месте государства и кураторов науки сфокусировался на том, где у Казахстана есть очень сильные позиции. Богатые недра – наладьте их переработку. Обеспечьте самый высокий уровень в мире энергообеспеченности. Атомную энергетику развивайте. Производство микропроцессорной техники не наладили, ну и не надо. У нас рынок не такой емкий. Достаточно, чтобы были люди, способные адаптировать современную технику для народно-хозяйственных нужд. А маниловщиной заниматься не надо».
Это было мнение нашего первого спикера. А теперь выслушаем, что скажет наш второй спикер, физик-любитель, писатель, автор нескольких фантастических повестей Виктор Юрьевич Обухов.
Корр: «По вашему мнению, какие проблемы существуют в создании квантового интернета и почему все так сложно на практике»?
Виктор Юрьевич: «Идея использовать квантовую запутанность для коммуникации возникла практически в одно время с идеей самого квантового компьютера. Передача информации в квантовой сети происходит не за счет модулированного потока электронов, передающего двоичные биты информации, а за счет передачи квантово-связанных состояний отдельных частиц или атомов. Наиболее подходящими для этого, во всяком случае, на текущем уровне технических решений, являются фотоны, которые можно передавать по оптоволоконному кабелю путем максимального ослабления лазера-передатчика и поляризации. Так, передача 1 кубита может быть произведена за счет поляризации 4 фотонов, например, один из которых будет поляризован вертикально, второй – горизонтально, третий косо вверх, а четвертый косо вниз. Но если при движении потока электронов какие-либо изменения их состояния за счет их взаимодействия с окружающей средой статистически нивелируются их количеством, то любое взаимодействие одиночного фотона с окружающей средой может привести даже не к искажению, а к полной потере информации. Это одна из основных технических проблем.
Отдельные фотоны удается без искажений передавать по оптоволоконному кабелю на очень небольшие расстояния. Соответственно, по маршруту передачи должны стоять определенные устройства, которые бы позволяли усиливать этот сигнал. Но здесь вступает в силу закон запрещения копирования в квантовой механике. То есть, если мы в обычной сети можем сигнал считать, опять его преобразовать в усилителе и передать дальше, то здесь это невозможно. Если мы попытаемся считать сигнал, произойдет схлопывание волновой функции и уничтожение результата. Однако буквально в последние 2 года все-таки удалось создать квантовые преобразователи, которые позволили передавать сигнал не на 1-2 метра, как это было ранее, а на сотню километров. Но для создания сети столь же разветвленной, как интернет этого катастрофически мало. Когда эта проблема будет окончательно решена технически – предположить невозможно. Возможно, уже завтра или послезавтра будет открыт некий фундаментальный эффект, позволяющий решить ее окончательно, а возможно на это уйдут десятки лет».
Корр: «Созданием квантовых компьютеров и квантового интернета серьезно занимаются светила науки довольно многих стран. А каковы шансы найти решение у наших казахстанских ученых»?
Виктор Юрьевич: «К сожалению, на мой дилетантский взгляд, пока Казахстан не имеет ни научной, ни технической базы для самостоятельного решения задач создания квантового интернета».
Корр: «Сможет ли когда-нибудь квантовый интернет вытеснить или наш привычный интернет»?
Виктор Юрьевич: «А теперь посмотрим на проблему квантового интернета с другой стороны. Самым главным его преимуществом является даже не скорость передачи данных, а невозможность взлома. Это определяется все тем же законом запрещения копирования. Если, например, Элис передает некую информацию Бобу, зашифрованную четырьмя состояниями фотонов, то при попытке Джона подключиться и считать сигнал состояние квантовой системы из 4 фотонов изменится, и это будет понятно Бобу, когда к нему придет сигнал. Парадокс заключается в том, что, не зная ключа шифрования, который не передается, информацию Джон тоже не получит.
А теперь давайте посмотрим на мир, в котором мы живем сейчас. Интернет, который на протяжении десятка лет многими воспринимался как зона чуть ли не абсолютной свободы, все больше и больше попадает под почти тотальный контроль. Зададимся вопросом, нужен ли контролирующим структурам абсолютно не взламываемый и 100-процентно защищенный способ коммуникации между индивидуальными пользователями? А если это 2 террориста, обсуждающие и готовящие террористическую атаку? Или экстремистская оппозиция, готовящая силовой переворот? Поэтому, на мой взгляд, когда будут решены все технические проблемы и реально достигнута возможность квантовой коммуникационной сети, индивидуальным пользователям доступ к ней может оказаться закрыт. С ее помощью будут решать промышленные и научные задачи, а так же задачи государственного и военного управления».
С момента проведения экспериментов с первыми квантовыми компьютерами прошло уже 27 лет. Совершено множество открытий и даже революционных прорывов. Однако мы все еще находимся на очень ранней стадии развития квантового интернета. Как быстро будет найдено решение – покажет время. И самые невероятные открытия, о которых на сегодняшний день пока даже никто не задумывается, еще впереди.
