Субатомная гонка за первенство в квантовых науках

США и Китай вкладывают миллионы в развитие этой новейшей области исследований, но ее реальный потенциал возможностей все еще остается тайной за семью печатями 20 Сентябрь 2015, 08:15
Среди супервозможностей, которые ожидаются от прорывов в исследовании квантовых систем — невзламываемые каналы связи, радары, которые видят под землей, суперкомпьютеры, которые превзойдут современные ЭВМ также как сегодняшние сверхвычислители превосходят «персоналки» первого поколения. Но какие из этих целей достижимы в ближайшем будущем, и сколько все это стоит?

В начале лета этого года Пентагон сообщил об исследовательской программе стоимостью 45 миллионов долларов в области квантовых сетей. Тем временем Китай собирается завершить создание самой большой в мире квантовой коммуникационной сети и стать первой страной, которая запустит спутник квантовой связи на орбиту. Но есть и другие исследования, финансируемые вооруженными силами, в которых предполагается, что квантовые коммуникации и шифрование могут оказаться слишком сложными, чтобы оправдать усилия, в то время как квантовая вычислительная техника не станет массовой еще десятилетие, если не больше (впрочем даже эти сроки некоторые эксперты сегодня считают оптимистичными).

Вся эта мощь и весь медийный шум вокруг происходят из неизмеримо малого источника — атомных и субатомных частицы, которые ведут себя иначе, чем объекты больших масштабов, особенно при очень низких температурах. Даже изучать квантовые объекты очень сложно — простое их наблюдение изменяет их поведение.

«Святым Граалем» в прикладной квантовой науке являются квантовые вычислители, которые так же отличаются от обычных компьютеров, как человек от медуз. В то время как обычная вычислительная техника использует электрические импульсы, проходящие через транзисторы для управления битами, или бинарными значениями, имеющими значение «ноль» или «единица», квантовые машины отслеживают странное поведение сверххолодных атомов, которые могут существовать одновременно в двух состояниях – «единица», «ноль», или в обоих. Если у вас имеются парочка кубитов в состоянии так называемой суперпозиции, то вы становитесь обладателем так называемого запутанного квантового гейта. Связь между кубитами остается неразрывной, даже если они находятся на километровом расстоянии друг от друга. И это открывает возможность интенсивных параллельных вычислений. Где это можно использовать? Можно взломать сложный код: вы пробуете одну комбинацию, другую, третью... Но если вы будете перебирать все возможные комбинации одновременно, то и решение вы получите мгновенно.
Мировое научное сообщество продолжается сомневаться в достижениях D-Wave, но руководство компании это мало заботит. Последнее достижение D-Wave — выпуск квантового компьютера на 512 кубитах.
«Как и автономные платформы, квантовая наука – область, которая может полностью изменить вооруженные силы, — рассказал помощник министра обороны США Фрэнк Кендалл (Frank Kendall) на открытом дне лабораторий Министерства обороны США. — В число примеров входят системы позиционирования, навигации и точного времени, не использующие GPS, дистанционное обнаружение подводных лодок, дистанционная картография туннелей и подземных комплексов, защищенные беспроводные коммуникации и многое другое».

В ноябре прошлого года правительство Китая сообщило о двух амбициозных задачах — создании квантовой компьютерной сети, которая протянется на 2000 километров от Пекина до Шанхая, и будет запущена в эксплуатацию в 2016 году, и запуске спутника квантовой связи. По состоянию на февраль оба проекта выполнялись в соответствии с планом.

В июне заместитель министра обороны США Роберт Уорк (Robert Work) сообщил об исследовательской программе стоимостью $45 млн, которая объединит исследовательские лаборатории ВВС, ВС и ВМС США для создания масштабируемой квантовой сети с памятью, в которой квантовое состояние поддерживается без потери когерентности. «Эта исследовательская группа попытается понять, как шифровать и затем передавать информацию по военным сетям дальней связи подразделениям с доказуемой и надежной криптостойкостью», — сказал Уорк. Такая сеть, которая позволит передавать квантовые данные между физически раздельными системами, сможет поддерживать дальнейшие исследования в области квантовой вычислительной техники и квантового шифрования.

США проводят около четверти всех исследований и разработок в области квантовой науки в настоящее время, что как минимум можно измерить количеством статьей в научных журналах, — считает Вернер Дж. А. Дам (Werner J.A. Dahm), председатель научно-экспертного совета ВВС США. Научно-экспертный совет недавно успешно завершил изучение этого научного направления и его потенциала. Среди сделанных выводов: некоторые средства, использующие квантовые технологии, не могут в достаточной степени улучшить текущие методы из-за сложности их разработки.
Заместитель министра обороны США Роберт Уорк в июне пообещал объединить усилия основных исследовательских лаборатории Армии США для создания масштабируемой квантовой сети.

Одна из весьма разрекламированных приоритетных областей инвестиций – квантовое шифрование. Оно работает как обычное распределение ключей, когда передающий информацию и принимающий ее могут прочесть сообщение только после того, как они обменялись секретным ключом. Но в отличие от некоторых криптографических решений, в них не может проникнуть третья сторона, не будучи отслеженной. Поскольку элементарные частицы изменяют свое поведение при их наблюдении, любая попытка перехватить сообщение заметно изменит их поведение, что позволит и передающему, и принимающему узнать об этом незамедлительно, и убедиться, что к информации был получен несанкционированный доступ.

«Очень удивительно, но исследование показало, что у ВВС США есть другие альтернативы повышения безопасности связи, которые не настолько сложны, — заявил недавно журналистам Дам. — Для многого из того, что в квантовой области применимо к средствам связи, ВВС США имеют хорошие или лучшие альтернативы при других подходах».

Но есть и другие, более перспективные области. В ближайшее время — отметил Дам — наиболее важное, что может сделать квантовая наука для ВВС США, это помочь избавиться от использования дорогой и устаревшей системы GPS.

«Квантовые навигационные системы могут дать очень, очень высокую точность и они не могут быть подавлены спецсредствами, — рассказал председатель научно-экспертного совета ВВС США. — Скорость ухудшения показания здесь гораздо ниже, чем у обычных инерциальных измерительных модулей. Это дает ВВС США очень важную возможность работы в обстановке, где невозможно использование GPS».

Такие системы позиционирования «дают значимый прогресс и могут быть доведены до уровня эксплуатационной готовности в те сроки, которые интересуют ВВС США. Это не 30 или 50 лет», — заверил военный чиновник.
Чип, созданный в стенах британской Национальной физической лаборатории, предназначен для захвата и охлаждения атомов — именно это необходимо для нормальной работы квантовых систем навигации
На самом деле, образцы квантовых систем навигации и синхронизации уже существуют, но они слишком велики для многих самолетов, ракет и беспилотников. Причина состоит в том, что преимущество таких систем состоит в поведении атомов, когда они находятся на низших энергетических уровнях, которое достигается только при очень низких температурах – в некоторых случаях, в миллиарды раз холоднее, чем окружающая среда. Охлаждение атомов до этих температур требует использования лазеров и больших затрат энергии. «Сейчас вопрос состоит в их уменьшении, и наше исследование рекомендует ВВС США заняться именно этим вопросом и инвестировать средства, в ограниченных масштабах, чтобы миниатюризировать эти виды систем», — сказал Дам.

Существуют уже и датчики, использующие квантовые технологии, для того, чтобы наблюдать за подземными объектами. Нефтяные и газовые компании применяют квантовое зондирование для картографии подземных полостей и залежей углеводородов. Очень небольшие изменения в составе геологических пород могут порождать гравитационные эффекты, слишком незначительные для определения современными приборами, но определяемые на квантовом уровне. Если такие датчики смогут стать меньше и лучше, военные смогут использовать их для определения местоположения подземных бункеров. Или для отслеживания вражеских подводных лодок. Но гравитационное зондирование для вооруженных сил будет ограничено тем, насколько близко к потенциальным целям можно будет разместить такие датчики.

Правительство финансирует исследования в области квантовой вычислительной техники на протяжении более десятилетия, в основном в области дешифрации информации. В прошлом году Washington Post сообщила, что Агентство национальной безопасности потратило $80 млн на программу Penetrating Hard Targets («поражение сложных целей») для создания квантовой системы для взлома самых сложных стандартов шифрования, известных на сегодняшний день.

Но расшифровка кодов не единственная область, где может использоваться масштабная параллельная обработка данных. «Военно-воздушные силы США найдут массу применений квантовой вычислительной технике, — рассказывает Дам. — Например, вычисление РЧ-сигнатуры самолета. Эта проблема связана с объемными вычислениями. Мы расходуем большое количество обычных компьютерных мощностей на проблемы такого типа. Если мы сможем делать это при помощи квантового компьютера, можно получить такой уровень точности, при котором уже не понадобится испытательный полигон».

Но преграды на пути к реальным, доказуемым и практически применимым квантовым вычислениям, кажутся непреодолимыми. Даже когда компании, занимающиеся квантовой вычислительной техникой, такие как D-Wave, заявляют, что они смогли освоить 512 кубиков, то вопрос создания программного года для таких вычислителей преимущественно остается тайной.

«Аппаратная сторона квантовой вычислительной техники сделала существенный прогресс. Но даже если у нас был бы квантовый компьютер, на нем нельзя было бы запустить обычное программное обеспечение. Он не сможет с ним работать. Квантовый компьютер не похож на обычный компьютер. Он фундаментально отличается. Забудьте о программном обеспечении. Сами алгоритмы, на которых основано программное обеспечение, должны полностью отличаться», — сказал Дам.

В этой области имеются большие перспективы, но малые надежды на краткосрочную отдачу. Исследование Научно-экспертного совета ВВС США рекомендует «умеренные постоянные усилия, сосредоточенные больше на программном обеспечении, чем на аппаратном оборудовании».

В целом, даже если привлечь к решению проблемы все мировое научное сообщество, продвижение в практическом применении квантовой науки похоже будет медленным и спокойным.