Дискуссионный клуб
Музей криптографии + Российский квантовый центр + QApp + «Криптонит»
Разговор о квантовых компьютерах и постквантовых технологиях шифрования

Приглашаем всех желающих посетить дискуссионный клуб музея криптографии.

19 октября в 19:30 участники встречи поговорят о том, чем квантовые вычисления отличаются от классических, сколько еще ждать до появления полноценного квантового компьютера, и почему прогнозы относительно сроков его создания регулярно не сбываются; расскажут, что такое квантовая телепортация, как квантовая механика позволяет предсказывать поведение природы в «микроскопических» масштабах, а также обсудят, зачем нужна постквантовая криптография уже сейчас, и как криптографы готовятся к появлению квантовых компьютеров, которые «обнулят» существующие криптографические методы защиты информации.

Спикеры:
Евгений Киктенко, канд. физ.-мат. наук, главный научный сотрудник лаборатории квантовых информационных технологий РКЦ, научный консультант QApp

Иван Чижов, кандидат физ.-мат. наук, заместитель по науке руководителя лаборатории криптографии компании «Криптонит», доцент кафедры информационной безопасности факультета ВМК МГУ имени М.В. Ломоносова.

Вход на мероприятие бесплатный, необходима регистрация: https://cryptography-museum.timepad.ru/event/2619331/

Ждем вас в Музее криптографии, по адресу ул. Ботаническая 25, стр. 4, большой лекторий.

IonQ представила мощный квантовый компьютер для прикладных задач

🌐 В презентации на Quantum World Congress, который прошел в конце сентября в Вирджинии, американская компания IonQ представила два квантовых компьютера для решения индустриальных задач – IonQ Forte Enterprise и IonQ Tempo.

По словам IonQ, индустриальные пользователи смогут запускатьквантовые вычисления непосредственно из своих центров обработки данных, что сделает эту технологию более доступной и простой в ключевых рабочих и бизнес-процессах. В прямом эфире компания представила подробную информацию о своих будущих стоечных системах корпоративного уровня, а также обзор дорожной карты продукции.

🖥️ Компьютер Forte Enterprise работает на 35AQ (алгоритмических кубитах). Его продажи начнутся уже в 2024 году. А компьютер IonQ Tempo уже работает на 64AQ, что делает его мощнейшим квантовым компьютером на данный момент. Его продажи начнутся в 2025 году.

🔎 Оба компьютера основаны на оптических системах в виде акустооптического дефлектора (AOD), который позволяет динамически направлять лазерные лучи на отдельные ионы. Кубиты в квантовых компьютерах IonQ при работе не требуют экстремального охлаждения, сильнейшего экранирования и защиты от вибраций, что, например, необходимо для квантовых компьютеров на сверхпроводниках.

IonQ делает акцент на том, что их квантовые системы довольно просто интегрировать в современную инфраструктуру серверных.

#IonQ #квантовыйкомпьютер

В Sandia National Laboratories создали ловушку на 200 кубитов

🪤 В американской лаборатории Sandia выпустили первую партию новой ионной ловушки мирового класса — центрального компонента квантовых компьютеров на ионах. Новое устройство, получившее название «ловушка Энчилада», позволяет ученым создавать более мощные квантовые компьютеры для развития экспериментальной, но потенциально революционной области квантовых вычислений.

Ионная ловушка — это некоторый тип микрочипа, который удерживает электрически заряженные атомы или ионы. Имея больше захваченных ионов (или кубитов), квантовый компьютер может реализовывать все более сложные алгоритмы.

📈 При наличии достаточного количества управляющего оборудования ловушка Энчилада может хранить и транспортировать до 200 кубитов, используя сеть из пяти зон улавливания.

По словам Дэниела Стика, ученого из Sandia и ведущего исследователя Quantum Systems Accelerator, квантовый компьютер с числом кубитов до 200 и нынешним уровнем ошибок не превзойдет обычный компьютер в решении полезных задач. Однако это позволит исследователям протестировать архитектуру с большим количеством кубитов, которая в будущем будет поддерживать более сложные квантовые алгоритмы для физики, химии, науки о данных, материаловедения и других областей.

#sandia #ловушка

Физики предложили способ подключения квантового компьютера с захваченными ионами на 1000 кубитов

Ученые из Оксфорда и Орегонского университета предложили решение одной из самых больших проблем квантовой индустрии — как подключить квантовые чипы при масштабировании квантовых компьютеров.

Исследователи стремятся существенно увеличить число кубитов, мощность и потенциал квантовых компьютеров для решения прикладных задач. Сегодня квантовые компьютеры промежуточного масштаба (NISQ-устройства) могут подключать кубиты к одной или нескольким отдельным линиям управления. Но резкое увеличение числа кубитов приводит к слишком большому росту количества линий чипа (а значит, проводов и электрических соединений), необходимых для поддержания нужного темпа. Решением этой проблемы может стать интеграция компонентов управления в микросхемы. Однако при текущей технологии производства возникают пока что непреодолимые проблемы: недостаточно места для чипов, высокое потребление энергии, широкая полоса пропускания, падение эффективности контроля качества по мере масштабирования устройства.

Квантовые компьютеры с захваченными ионами во многом разделяют технологию твердотельных чипов с современными классическими компьютерами, но имеют и дополнительную сложность. Если биты в классическом компьютере записываются и читаются с помощью простых сигналов, посылаемых через небольшое количество электродов, то кубиты в компьютере с захваченными ионами управляются с помощью более тонких и разнообразных сигналов, которые передают до десяти отдельных электродов на каждый кубит. По мере увеличения количества кубитов в квантовом компьютере размещение электродов и генераторов сигналов на чипе (не говоря уже о рассеивании тепла) становится все сложнее.

В октябре этого года научная группа из Оксфорда совместно с учеными из Орегонского университета представила решение, которое позволяет подключить квантовые компьютеры с захваченными ионами таким образом, чтобы это соответствовало всем ограничениям. Данный метод, получивший название WISE («Проводка с использованием интегрированной коммутационной электроники», англ. Wiring using Integrated Switching Electronics), позволяет запускать 1000-кубитное устройство всего на 200 линиях управления с использованием чипов и электронно-компонентной инфраструктуры, доступной сегодня.

В подходе (WISE) используется меньшее число генераторов сигналов, и они убраны непосредственно с самого чипа. Сигнал от одного генератора сигналов передается сразу на несколько кубитов через небольшое количество локальных переключателей. Авторы работы утверждают, что квантовый компьютер с захваченными ионами, использующий их метод управления, может быть построен с использованием существующих технологий производства полупроводников.

#квантовыйкомпьютер #ионы #1000кубитов

🆕 Китайские ученые под руководством Жанвей Пана движутся вперед в квантовом мире и после запутывания холодных атомов продемонстрировали квантовое превосходство. Квантовый компьютер на 255 фотонных кубитах JiuZhang 3.0 решил математическую задачу про бозоны (ставшую уже классической для демонстрации мощности квантовых компьютеров) за миллионную долю секунды. Он оказался значительно быстрее предшественника JiuZhang 3.0. К слову, суперкомпьтеру на решение понадобятся миллиарды лет.

💡Подробнее об открытии китайской группы читайте в статье:

Breakthrough Prize в области фундаментальной физики вручили за квантовую теорию поля

“Научный Оскар” в размере $3 млн. присудили Джону Карди и Александру Замолодчикову за “глубокое понимание квантовой теории поля и дифференциальной геометрии”. Ученые внесли свой вклад в квантовую теорию поля, которая описывает не только физику элементарных частиц, но и многие явления от магнетизма и сверхпроводящих материалов до информационного содержания черных дыр, а такжепредставляет большой интерес в математике.

Лауреатов будут чествовать на гала-церемонии награждения в Лос-Анджелесе 13 апреля 2024 года.

Согласно пресс-релизу комитета:

“Наука – это бесконечная революция. Болезни, которые двадцать лет назад казались непобедимыми, теперь можно контролировать или вылечить. Наши глубочайшие физические теории объясняют мир с ошеломляющей точностью. А в области математики новые идеи достигают границ неизведанного. Премия «Прорыв», широко известная как «Научный Оскар», была учреждена Сергеем Брином, Присциллой Чан, Марком Цукербергом, Джулией и Юрием Мильнер и Энн Войжитцки.

Последний список лауреатов Премии продвигает эту революцию вперед. В их число входят 11 лауреатов премий за прорыв в области наук о жизни, фундаментальной физики и математики, разделивших между собой пять призов по 3 млн долларов; 12 начинающих физиков и математиков, разделивших шесть премий «Новые горизонты в физике» размером 100 000 долларов; и три женщины-математика, недавно получившие докторскую степень, каждая из которых получила премию Марьям Мирзахани «Новые рубежи» в размере 50 000 долларов. Сумма призовых в этом году составила 15,75 миллиона долларов, в результате чего сумма, присуждаемая за тринадцать лет существования Премии «Прорыв», составила 308 млн долларов.”

#премия #теорияполя #breakthrough

Ученые из Калтеха рассказали про новый способ стирать ошибки в квантовом компьютере

📝 Физики из Калтеха одни из первых успешно показали квантовый ластик, который находит и исправляет ошибки «стирания» (erasure errors) в квантовых компьютерах.

🎙️ Как сообщают авторы исследования:

«Обычно очень сложно обнаружить ошибки в квантовых компьютерах, потому что сам процесс поиска ошибок приводит к появлению новых ошибок». Показано, что при тщательном контроле можем точно обнаружить и стереть определенные ошибки без каких-либо последствий, отсюда и название «стирание».

В исследовании ученые сосредоточились на нейтральных атомах, возбужденных до высокоэнергетических, или ридбреговских, состояний, когда соседние атомы начинают взаимодействовать друг с другом, создавая запутанность. Физики улучшили точность воспроизведения таких запутанных состояний, достигнув степени запутанности, при которой только одна из 1000 пар атомов оказывается незапутанной.

🍏

«Однако природе не нравится оставаться в этих квантово-запутанных состояниях»

, — объясняет один из авторов Паскаль Шолль.

«В конце концов происходит ошибка, которая нарушает все квантовое состояние. Эти запутанные состояния можно представить как корзины, полные яблок, где яблоки — это атомы. Со временем некоторые начнут гнить, и если эти яблоки не вынуть из корзины и не заменить свежими, все яблоки быстро станут гнилыми. Неясно, как полностью предотвратить появление ошибок, поэтому единственный реальный вариант в настоящее время —

это обнаружить и исправить их»

💡 Новая система устроена так, что ошибочные атомы флуоресцируют при попадании в них лазера. По этим светящимся атомам ученые видят, где конкретно происходят ошибки. Сами атомы можно исключить из окончательной статистики или исправить дополнительными лазерными импульсами.

Теорию реализации обнаружения ошибок стирания в системах нейтральных атомов придумал вместе с коллегами Джефф Томпсон. Их команда сообщила о демонстрации этой техники в Nature еще в 2022 году.

Illustration by Muza Productions

«Почему у нас до сих пор нет полезных квантовых компьютеров?»

Этим вопросом задается New Scientist, приводим краткий пересказ статьи.

🔶 На каждое квантовое превосходство находится улучшенный классический алгоритм.

В 2019 году корпорация Google впервые показала квантовое превосходство, с помощью 54-кубитного квантового компьютера решив задачу, невыполнимую для классического аналога. Однако в 2022 году другие исследователи создали алгоритм, позволявший классическому вычислителю справиться с этой задачей за разумное время. Похожая судьба постигла и китайский 56-кубитный Zuchongzhi, он решил задачу для выборки бозонов (мы писали тут), непосильную для обычных компьютеров. И опять в 2022 году нашелся алгоритм, с помощью которого классический компьютер справился с бозонами за несколько месяцев.

В этом году Google увеличила сложность задачи и использовала уже 70-кубитный компьютер, сказав, что классическому аналогу понадобится 47 лет вычислений.

🔶 Мера квантового превосходства определяется классическим компьютером.

Квантовые компьютеры страдают из-за «шума», поэтому трудно оценить их полную потенциальную производительность. Более того, квантовое преимущество Google оценивает только с помощью тестов на классическом компьютере. Лишь недавно ученые определили точный уровень шума, при котором эта мера применима для квантового компьютера с определенным числом кубит. Однако пока нет теста, который бы гарантировал победу квантовых расчетов над любыми классическими алгоритмами.

🔶 Применение квантового компьютера для решения практических задач может служить мерой превосходства.

Продолжается поиск практических заданий для квантового компьютера. Так, китайские ученые, решавшие задачу с выборкой бозонов, показали, что эта проблема может применяться в теории графов, а затем и в дизайне лекарств. А в июле, после обсуждений в ЦЕРНе, европейские исследователи предложили следующие проблемы для квантовых вычислений в области физики высоких энергий: как частицы отскакивают друг от друга и как разделяются пары частиц.

Один из авторов, Джей Гамбетта, предлагает ориентироваться не на математические доказательства превосходства, а на востребованность квантовых компьютеров у ученых из других сфер:

«Когда о преимуществе заговорит тот, кто не является ученым в области квантовой информации, тогда меня это по-настоящему заинтересует».

Российские компании с экспертизой в области криптографии объединили
усилия для предотвращения угрозы криптографическим системам со стороны квантовых компьютеров.

Так, открытая реализация отечественного постквантового алгоритма «Шиповник» компании «Криптонит» подготовлена компанией «QApp» в ходе её деятельности в составе рабочей группы «Постквантовые криптографические механизмы» Технического комитета 26 Росстандарта (ТК 26). Проект написан на языке Си с оптимизацией под наборы команд SSE4.1, SSE2 и MMX. Исходный код доступен на GitHub. Он компилируется в библиотеку, которую можно встраивать в промышленные криптографические устройства и программные продукты.

«Использование оптимизации кода приводит к высокой скорости реализации «Шиповника». В тестах на Intel Core i7-8700 выработка ключевой пары заняла 3 мс, подпись одного сообщения — 848 миллисекунд, а проверка подписи — всего 11 мс», — пояснил Сергей Гребнев, криптоаналитик и руководитель группы прикладных исследований компании «QApp»

Подробности в пресс-релизе:
https://habr.com/ru/companies/kryptonite/news/773640/

Что делает РФ в части квантовых коммуникаций и вычислений? Алексей Федоров из РКЦ говорит, развивается оригинальная технология масштабирования квантовых процессоров

Квантовые вычисления и коммуникации — это наукоемкая технологическая отрасль, ее нужно развивать широким фронтом, начиная с микроэлектроники и оптоволоконного оборудования и заканчивая алгоритмами и ПО.

В России есть несколько направлений, которые активнее развиваются:

1. Управление индивидуальными квантовыми системами.

2. обработка информации с использованием индивидуальных квантовых систем — концепция квантовых компьютеров.

3. использование квантовых систем для детектирования информации об окружающей среде — это лежит в основе квантовой сенсорики и метрологии.

Вызовы которые стоят перед отраслью сейчас:

- для обеспечения квантовых технологий нужна и оптика, электроника и лазеры, и камеры, и вакуумное оборудование, и холодильники.

Осложняет ситуацию существенное внешнее давление, отрасль квантовых технологий попала под жесткие санкции.

Научный комитет об итогах заявочной кампании на премию «ВЫЗОВ»
В 2023 году на Премию было подано 218 заявок из 38 регионов России. Наибольшее число заявок пришло от ученых из Москвы и Московской области, Санкт-Петербурга, Республики Татарстан, Краснодарского края, Новосибирской, Свердловской и Саратовской областей.

Самому молодому кандидату всего 20 лет, а средний возраст номинантов – 35-40 лет. Заявки поступали от государственных научных центров, крупных инженерных компаний, госкорпораций.

В Японии заработал 127-кубитный квантовый компьютер от IBM

🇯🇵🇺🇸 Американская компания передала в Токийский университет 127-кубитную платформу IBM Quantum Eagle. IT-гигант надеется получить от японских ученых идеи практического применения квантового компьютера в области поиска новых материалов, разработки лекарств, решения финансовых и физических задач.

📈 Этим летом IBM совместно с учеными из Беркли на той же платформе Eagle моделировала динамику спинов в магнитном материале и показала, что точные квантовые расчеты для реальной системы возможны и на квантовых компьютерах свыше 100 кубит. По их словам, это случилось благодаря «передовым методам устранения ошибок». Поэтому Quantum Eagle объявлена как первая практическая квантовая платформа.

🙅 В то же время Google утверждала, что для исправления ошибок и корректной практической работы многокубитной системы нужны десятки и сотни тысяч физических кубит.

В Японии платформой будет пользоваться консорциум Quantum Innovation Initiative (QII) местных университетов и компаний. Это уже не первый случай отправки квантовых устройств в Токийский универстит. В 2021 IBM передала 27-кубитную систему IBM Q System One.

Американские ученые представили квантовый «жадный» алгоритм для задач комбинаторной оптимизации

🔇Физики из Rigetti Computing совместно с NASA создали алгоритм, который более устойчив к шуму, чем прошлые итеративные подходы, и превосходит жадный классический аналог, лишь в режиме сильного шума его эффективность сводится к классическому алгоритму. В расчетах использовали квантовую систему Rigetti Aspen-M-3, содержащую до 72 кубитов.

❄️ Для демонстрации квантового превосходства ученые решали задачу модели Изинга для спиновых стекол. Отличие от других схожих методов вроде RQAOA — в процедуре замораживания переменных. На каждой итерации переменные, полученные квантовым компьютером, замораживаются до своих классических значений, часть заменяется константами (в зависимости от стратегии) и создается задача меньшей размерности. Процедура повторяется, пока задача не станет достаточно низкоразмерной для перебора.

По словам первого автора работы Максима Дюпона:

«Наша работа демонстрирует, что шумные сверхпроводящие квантовые компьютеры могут решать комбинаторную оптимизацию в большом масштабе с хорошей производительностью, сокращая разрыв в направлении квантового преимущества по мере того, как становится доступным больше кубитов и более высокая точность».

IBM представила новый квантовый процессор Heron, первый модульный квантовый компьютер и дорожную карту до 2033 года

На ежегодном саммите IBM Quantum Summit IT-гигант показал текущие достижения и анонсировал планы развития до 2033 года.

🦾 Cамый производительный IBM-процессор Quantum Heron.
Heron — первый процессор нового класса производительных процессоров с уровнем ошибок ниже в 5 раз, чем у рекордсмена компании Quantum Eagle. На 133-кубитном Quantum Heron университеты через облако уже проводят эксперименты.

🧩 Первый модульный квантовый компьютер компании IBM Quantum System Two и дорожная карта до 2033 года.
Квантовый System Two станет основой архитектуры квантовых вычислений IBM следующего поколения. Сейчас он включает 3 процессора Heron, но в будущем их заменят. 4,5-метровый System Two имеет модульный дизайн, благодаря чему можно объединять несколько таких же квантовых компьютеров в единую систему. К концу 2024 года он сможет на трёх Heron выполнять 5000 операций на одну квантовую схему (circuit), а к 2033 благодаря совершенствованию процессоров и объединению квантовых компьютеров IBM хотят создать систему с 1 миллиардом операций на схему. Акцент делается на улучшение работы вентилей для качественного масштабирования и снижении ошибок.

🤖 Qiskit и генеративный ИИ упростят разработку квантового ПО.
IBM планируют создать новый программный стек на основе Qiskit. Для упрощения квантового кодинга компания анонсировала Qiskit Patterns — 4-этапный способ адаптации классических задач под квантовые схемы и постобработки. Qiskit Patterns вместе с Quantum Serverless станут «строительными блоками», с помощью которых пользователи смогут создавать и развёртывать процессы, совмещающие классические и квантовые вычисления. IBM также интегрирует корпоративную платформу генеративного ИИ watsonx для автоматизации разработки квантового кода.

#квантовый_компьютер #квантовый_процессор