Невзламываемые компьютеры, которые могут произвести революцию в будущем

29 декабря 17:57NK

Современная наука часто делает невероятные утверждения, но дисциплина, которая кажется самой возмутительной, вполне может быть квантовой физикой. Часто упоминаемые квантовые идеи включают в себя одновременное существование кошек и мертвых до тех пор, пока кто-то не взглянет на них, и множественные миры, в которых не только все возможно, но и все вещи действительно происходят - по крайней мере, в параллельной реальности.

С такими головокружительными предсказаниями вполне разумно представить, что из квантовой физики не может возникнуть никакой полезной технологии. Однако это не так. Физики, инженеры и компьютерные ученые пытаются использовать противоречивое поведение квантовой механики для создания квантовых компьютеров, что в конечном итоге приведет к квантовому Интернету.

И это усилие не просто абстрактная цель ученых; Правительство США определило его как важную национальную инициативу.

Федеральные агентства начали закладывать основу для американской квантовой инфраструктуры. Например, Министерство энергетики планирует связать свои лаборатории квантовым Интернетом.

Квантовый Интернет похож и отличается от обычного Интернета. Он похож в том, что соединяет компьютеры, но только квантовые. Способ взаимодействия этих компьютеров практически невозможно взломать.

Любая попытка перехватить сообщение сообщает предполагаемому получателю, что кто-то прочитал его перед доставкой. В соответствии с новой инициативой университеты и национальные лаборатории страны начали развивать возможности, необходимые для создания квантового Интернета.

Одним из таких достижений стала передача квантовой информации, объявленная в этом месяце консорциумом университетов, национальных лабораторий и частных предприятий. Это важный шаг к созданию квантового Интернета.

Квантовые вычисления во многом отличаются от обычных вычислений. Во-первых, обычные компьютеры построены на концепции бита, который, по сути, представляет собой переключатель, который можно включить или выключить - то, что компьютерные профессионалы называют 1 или 0. В отличие от этого, квантовые компьютеры используют кубит, сокращение от «квантовый бит»."

Кубиты чем-то похожи на обычные биты в том смысле, что они измеряются как 0 и 1, но в промежутках между измерениями они представляют собой неопределенное сочетание 0 и 1. Этот кусочек квантовой магии точно такой же (и столь же запутанный), что и кот Шредингера.

В 1935 году австрийский физик Эрвин Шредингер разработал мысленный эксперимент, чтобы проиллюстрировать абсурдность квантовой теории, названной копенгагенской интерпретацией квантовой механики. Копенгагенская интерпретация, названная в честь города, в котором она была изобретена, гласит, что квантовая система может одновременно быть двумя противоположными объектами, пока не будет выполнено измерение.

Примером квантовой системы является радиоактивный атом, который, согласно копенгагенской интерпретации, одновременно распадается и не распадается, пока кто-то его не измерит. Шредингер вообразил некий радиоактивный материал в запечатанном ящике, который включал детектор излучения, молоток, пузырек с ядовитым газом и кошку. Если атом радиоактивного вещества распадется, детектор зафиксирует его и выпустит молоток, чтобы разбить пузырек с ядом, что, в свою очередь, убьет кошку.

Согласно законам квантовой механики, пока ящик не будет открыт, атом одновременно распался и не распался, то есть кошка была и живой, и мертвой. Шредингер счел это абсурдом и заявил, что его мысленный эксперимент опровергает копенгагенскую интерпретацию квантовой механики.

Но идея о том, что квантовая механика позволяет объекту одновременно находиться в двух противоположных конфигурациях, на самом деле верна. Кубит в квантовом компьютере одновременно равен 0 и 1. Звучит невероятно, но это одна из вещей, которая отличает квантовый мир от привычного нам. Субатомные частицы, такие как электроны, могут находиться в двух местах или один раз или могут одновременно вращаться в противоположных направлениях. Эти противоположные вращения составляют кубиты. Электрон, вращающийся по часовой стрелке, равен 0, а вращающийся против часовой стрелки - 1 (или наоборот).

Первый рабочий квантовый компьютер был продемонстрирован в 1998 году. Он был очень примитивным, но это был еще один шаг. У квантовых вычислений есть сильные и слабые стороны. По большинству проблем квантовый компьютер на самом деле не быстрее обычных компьютеров высокого класса. Однако для решения некоторых проблем - например, взлома кода - квантовые вычисления оставляют обычные компьютеры в пыли.

Когда продвинутые квантовые компьютеры станут реальностью, они смогут взламывать коды несравнимо быстрее, чем это возможно в настоящее время. Например, Google анонсировал алгоритм, который работает на квантовых компьютерах в сто миллионов раз быстрее, чем на обычных.

Более того, квантовые компьютеры не только превосходны в расшифровке; они также превосходны в шифровании. Были разработаны квантовые алгоритмы, которые считаются неразрушимыми. Именно эти криптографические возможности интересуют как страны, так и корпорации, занимающиеся электронной коммерцией.

Конечно, идеальных квантовых компьютеров пока нет и, возможно, никогда не будет. В отличие от обычных компьютеров, в которых легко определить, включен или выключен бит, в квантовых компьютерах кубиты очень чувствительны к окружающей среде, особенно к теплу. Колебания атомов компьютера могут разрушить информацию, хранящуюся в кубитах, поэтому квантовые компьютеры должны поддерживаться при очень низких температурах.

Хотя многие учреждения разрабатывают квантовые компьютеры, создание квантового Интернета требует способа передачи информации между компьютерами. Это достигается с помощью явления, называемого квантовой телепортацией, при котором два атома, разделенные большим расстоянием, заставляют действовать так, как будто они идентичны.

Недавнее достижение консорциума IN-Q-NET, успешно продемонстрировало квантовую телепортацию на большие расстояния на двух испытательных стендах, один из которых расположен в Калифорнийском технологическом институте, а другой - в Фермилабе, недалеко от Чикаго. Это достижение с использованием имеющегося в продаже оборудования и является важным шагом в развитии квантового Интернета.

Это все еще очень ранняя история квантовых вычислений, и неясно, куда именно они движутся. Его сторонники с большим энтузиазмом смотрят на его будущее, в то время как другие относятся к нему осторожно. Тем не менее, нет никаких сомнений в том, что его возможности кодирования и взлома делают его интересной перспективой в сфере онлайн-защиты и взлома.

Квантовые вычисления все еще находятся в зачаточном состоянии, но однажды они могут изменить мир. Надо подождать и посмотреть.