Как контрольно-измерительное оборудование и алгоритмы шифрования сетей открывают новые возможности для применения квантовых технологий

Общественные и частные организации инвестируют миллиарды долларов в развитие квантовых технологий. С завидной регулярностью в СМИ появляются сообщения о достижении нового рубежа в развитии. Не за горами реализация кажущихся утопическими приложений в области датчиков, вычислений и связи. Прецизионное контрольно-измерительное оборудование Rohde & Schwarz для научно-исследовательских, промышленных и общественных организаций позволяет проводить специальные испытания в отдельных квантовых системах. А наши эксперты по шифрованию предлагают разрабатываемые в лабораториях технологии защищенной связи на квантовой основе для решения конкретных задач.

Квантовые вычисления, квантовые датчики и квантовая связь — все три технологии имеют революционный потенциал. Объемы инвестиций говорят сами за себя — за квантовыми технологиями скрывается огромный инновационный потенциал. В дополнение к международным вложениям крупнейших инвестиционных венчурных фондов, в национальные и транснациональные исследовательские фонды также поступают миллиарды из общественных средств.

Например, Федеральное министерство образования и научных исследований Германии создало фонд по квантовым технологиям в размере 2,6 миллиардов евро. Инициатива Quantum Flagship от Европейского Союза имеет бюджет как минимум в 1 миллиард евро, а в распоряжении Национальной квантовой инициативы США имеются 2 миллиарда долларов.

Квантовые эффекты стали частью нашей повседневной жизни. Например, современные смартфоны содержат сотни миллиардов транзисторов, преимущественно в виде чипов флэш-памяти. Предназначенные для управления током и напряжением, они работают на основе квантовых механических свойств полупроводников. В первом поколении используются преимущества естественных квантовых эффектов. В отличие от этого, второе поколение квантовых технологий основано на создании и управлении индивидуальными квантовыми состояниями.

Быстрые. Еще быстрее. Квантовые вычисления.

Нашим миром управляет двоичный код. Обычные компьютеры обрабатывают данные в виде последовательностей из единиц и нолей, что соответствует наличию или отсутствию тока. Это применимо ко всему — от простого редактирования текстов до виртуальной реальности в метавселенной. Однако мир, в котором мы живем и работаем, становится всё сложнее и сложнее. Количество обрабатываемых данных стремительно растет. В период с 2012 по 2020 год объем генерируемых за год цифровых данных увеличился на порядок и дополнительно возрастет в три раза к 2025 году. Прогнозируемое количество данных превышает 180 зеттабайт или 180 триллионов гигабайт.

В связи с этим обычные компьютеры сталкиваются с двумя непреодолимыми препятствиями — время и сложность. Чем больше объем данных, тем больше времени требуется для их последовательной обработки. Чем сложнее проблема, тем ниже вероятность, что двоичный код с его двумя состояниями будет способен эффективно рассчитать решение. Квантовые компьютеры открывают путь к преодолению обеих проблем благодаря применению открытий из современной физики.

Рука об руку вместо или-или

По аналогии с обычными битами, квантовые биты (кубиты) образуют квантовые блоки механической памяти. Кроме единиц и нолей, они также допускают смешанные состояния. Это означает фундаментальный технологический переворот. Теперь возможна параллельная обработка стандартных последовательных методов вычислений, поэтому квантовый компьютер помогает значительно экономить время.

Но что важнее всего, новый квантовый механический подход позволяет обрабатывать новые и намного более сложные задачи. При этом нет необходимости в выборе только обычных или только квантовых вычислений. Имеющиеся и квантовые системы комбинируются в зависимости от решаемой задачи.

Физика против логики

В квантовом мире частица может одновременно находиться в двух местах. Ее местоположение можно определить только в момент наблюдения, например, путем измерения частицы. Другими словами, когда частица не видна, она имеет неопределенное местоположение. Это необычное свойство объясняет крайнюю неустойчивость частиц. Вместо использования отдельных физических кубитов, которые могут быть подвержены ошибкам, кубиты объединяются в логический кубит. При этом сложность заключается в том, что для ответа на практические вопросы, такие как сворачивание белков, требуются квантовые системы, состоящие из миллиона логических кубитов. Логический кубит может содержать до 100 физических кубитов, однако в настоящее время возможна обработка максимум 127 физических кубитов.

Компания Zurich Instruments не так давно вошла в состав семейства Rohde & Schwarz. Рынок контрольно-измерительного оборудования для квантовых вычислений таит в себе огромный потенциал для обеих компаний. Для эксплуатации и технического обслуживания квантовых компьютеров требуется широкий спектр специального контрольно-измерительного оборудования, так как для эффективного создания и регистрации квантовых состояний необходима сверхвысокая точность генерирования и измерения ВЧ-сигналов. Системы управления квантовыми компьютерами входят в ассортимент продукции компании.

Безопасность. Больше безопасности. Квантовая связь

Квантовые компьютеры раздвигают границы возможного в обработке данных. Однако это также несет с собой новые задачи, включая защищенную связь. Ящик Пандоры начал открываться в начале 1990-х годов с появлением первых алгоритмов, способных превзойти традиционные алгоритмы шифрования при использовании высокоэффективных квантовых компьютеров.

С тех пор на первый план вышли новые методы шифрования. Здесь существуют два основных подхода. Первый подход — постквантовая криптография, которая использует обычные методы шифрования, но с существенной разницей в том, что они без труда переносят атаки от квантовых компьютеров. Используемые в этом подходе алгоритмы основаны на теоретических предположениях, для которых в настоящее время отсутствуют известные атаки с применением обычных или квантовых компьютеров.

Второй подход носит название «Квантовое распределение ключей» (QKD). Федеральное ведомство Германии по информационной безопасности (BSI) и Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) вносят наиболее значительный вклад в развитие данного направления. По мере роста цифровизации частные потребители, а особенно правительственные организации все больше нуждаются в гарантии информационной безопасности. Защищенные сети связи стали критически важной инфраструктурой в современном информационном обществе.

Эти инновационные решения выводят в центр внимания аспекты криптографии. Традиционные методы и более современные постквантовые алгоритмы основаны на математических предположениях, т. е. на идее, что определенные задачи не могут быть рассчитаны с достаточной эффективностью. В отличие от этого, квантовое распределение ключей основано на физических принципах.

Первые устройства QKD были изначально разработаны физиками, а в последние годы ведется работа над созданием коммерческих решений. Подразделение Rohde & Schwarz Cybersecurity обладает огромным опытом в разработке и реализации защищенных устройств и систем во многочисленных исследовательских проектах.

Инновации за счет сотрудничества

Наряду с разработкой технологий для нас важно взаимодействие с заказчиками и участие в исследовательских группах и промышленных ассоциациях. Компания Rohde & Schwarz с самого начала входит в состав множества растущих объединений. Вот лишь некоторые примеры: