Постепенно — это еженедельная колонка, посвященная техническим достижениям каждую неделю в нескольких местах. Меня зовут Адам Конвей, и я освещаю технологии и слежу за новейшими достижениями уже десять лет. Если вас что-то заинтересовало и вы хотели бы осветить, вы можете связаться со мной по адресу [email protected].
Квантовые вычисления в настоящее время являются невероятно интересной областью исследований, и компании за последние годы добились огромных успехов. Одним из фундаментальных строительных блоков квантового чипа является «кубит», который является аналогом «бита» в обычных вычислениях. В то время как бит может содержать значение 0 или 1, кубиты могут хранить значения 0, 1 или «суперпозицию», которая представляет 0, 1 и все позиции между ними. Однако одно фундаментальное свойство квантовых вычислений может оказаться проблемой для современного шифрования.
Что такое GoogleУиллоу?
Большой скачок в квантовых вычислениях
Google работает над квантовыми вычислениями с 2012 года, где «видением» группы было создание крупномасштабного квантового компьютера, который мог бы фактически использовать квантовую механику. Конечная цель — создать действительно полезный опыт для реальных приложений, и Willow — это последний шаг в этом направлении. Googleдорожная карта для достижения этой цели.
Ошибки — огромная проблема, когда дело касается квантовых вычислений. Кубиты имеют тенденцию быстро обмениваться информацией с окружающей средой, что затрудняет защиту информации, необходимой для завершения вычислений. Чем больше кубитов вы используете, тем больше ошибок вы испытаете. Однако, GoogleПрорыв здесь заключается в том, что в Willow чем больше кубитов использовалось, тем больше ошибок уменьшалось. Google утверждает, что с помощью более крупных массивов физических кубитов, масштабируясь от сетки закодированных кубитов 3×3 до сетки 5×5, до сетки 7×7, каждый раз они смогли сократить частоту ошибок вдвое. Другими словами, экспоненциальное снижение частоты ошибок. Уиллоу использует 105 кубитов.
В квантовых вычислениях это называется «ниже порога», когда вы уменьшаете количество ошибок при увеличении количества кубитов. Это необходимо для демонстрации реального прогресса в исправлении ошибок, поскольку в противном случае ошибки будут масштабироваться вместе с кубитами и вызывать проблемы. Это также один из первых примеров коррекции ошибок в сверхпроводящей квантовой системе в реальном времени. GoogleСобственные показатели компании доказывают, что это реальная сделка. Значительная часть снижения ошибок связана с охлаждением, и по всем направлениям были достигнуты огромные успехи.
GoogleИнженеры компании Willow протестировали Willow с помощью теста случайной выборки цепей (RCS). Это стандарт в этой области, который считается самым сложным тестом, который можно выполнить на квантовом компьютере сегодня. По сути, он проверяет, делает ли квантовый компьютер что-то, что невозможно сделать на классическом компьютере. Любая команда, создающая квантовый компьютер, должна сначала проверить, сможет ли она победить классические компьютеры на RCS; в противном случае есть веские основания для скептицизма в отношении того, что он может решать более сложные квантовые задачи. Сюда входит вычисление, на выполнение которого классическому компьютеру потребовалось бы 10 септиллионов лет, тогда как Уиллоу выполнила его всего за пять минут.
Смогут ли квантовые вычисления сломать шифрование в том виде, в котором мы его знаем?
Вероятно, это будет
Когда мы говорим о квантовых вычислениях, возникает очень страшная проблема, и эта проблема связана с тем, что происходит с шифрованием. Алгоритм Шора, написанный американским математиком Питером Шором, представляет собой алгоритм квантовых вычислений, который может найти простые множители целого числа, что может сломать схемы криптографии с открытым ключом, такие как RSA, а также обмен ключами Диффи-Хеллмана с конечным полем и эллиптической кривой. Самым большим препятствием для алгоритма Шора на данный момент является количество кубитов, необходимых для его работы. По некоторым оценкам, вам могут потребоваться тысячи кубитов, чтобы использовать алгоритм Шора для взлома современных стандартов шифрования.
При этом было продемонстрировано, что алгоритм Шора работает с меньшими значениями, хотя он предполагает, что квантовый компьютер, на котором он работает, не будет иметь шума и ошибок, что может оказаться проблемой в реальном мире. Аналогично, именно поэтому GoogleУсилия по исправлению ошибок имеют большое значение, поскольку с течением времени и добавлением новых кубитов ошибки становятся все более серьезной проблемой, когда дело доходит до квантовых вычислений. Криптография с открытым ключом лежит в основе большей части современного Интернета, обеспечивая безопасность всего: от электронной почты до онлайн-банкинга. Алгоритм Шора, запущенный на достаточно продвинутом квантовом компьютере, мог бы разрушить эти криптографические протоколы путем эффективной факторизации больших чисел. RSA, широко используемый стандарт шифрования, основан на предположении, что факторизация больших целых чисел вычислительно невозможна. Квантовые вычисления бросают вызов этому предположению.
Правительства и исследователи уже готовятся к «постквантовому» миру. Национальный институт стандартов и технологий (NIST) в США работает над квантовостойкими криптографическими алгоритмами, отбирая кандидатов, способных противостоять атакам квантовых систем. Эти алгоритмы сосредоточены на проблемах, которые сложны как для классических, так и для квантовых компьютеров, таких как криптография на основе решетки или подписи на основе хеша.
Как известно, график развития квантовых вычислений предсказать сложно. Хотя «Уиллоу» представляет собой довольно большой шаг вперед, до создания практических крупномасштабных квантовых компьютеров, возможно, еще понадобятся десятилетия. Тем не менее, достижения, которые мы наблюдаем сегодня, указывают на то, что эта область развивается быстрее, чем многие ожидали.
На данный момент все, что мир может сделать, это наблюдать за тем, как такие компании, как GoogleIBM и такие стартапы, как IonQ и Rigetti Computing, стремятся к полномасштабным квантовым вычислениям. Эти прорывы имеют двоякое значение с точки зрения последствий; они не только решают проблемы, которые мы сейчас считаем непреодолимыми, но и создают проблемы, с которыми мы никогда раньше не сталкивались. Вы пока не можете играть в Doom на квантовом компьютере, но это (и многое другое) может произойти в ближайшем будущем.
