Quantum Q&A – от Klon Kitchen


(Стокова снимка от Getty Images.)

Здравейте и честит четвъртък! Тази седмица се навършват 62 години от първия работещ лазер, демонстриран от физик Теодор Майман в Hughes Research Labs в Малибу, Калифорния. Страхотен факт: Майман по-късно се възползва много практически от своето изобретение, когато се подложи на лазерна операция през 2000 г. Говорейки за лазери, знаехте ли, че те се основават на квантовомеханичния процес на „стимулирано излъчване?“ Да, и аз, докато машината на Ol ‘Google не поднесе този фактоид след търсене на „готини лазерни факти“. (Така се прави наденицата, хора).

Както и да е, администрацията на Байдън предприема две нови стъпки за напредък в американските квантови изчисления и реших, че ще дам буква „въпрос и отговор“ за науката и защо тя има толкова значителни последици за националната сигурност. Тези неща са основно магия, но ако се задържиш с мен, обещавам, че ще бъдеш очарован.

„Добре маниак, продължавай с това. Какво е „квантова механика“?“

Квантовата механика е управляващата хипотеза за това как природата работи на ниво атоми и субатомни частици като фотони. Думата „квант“ се отнася до идеята, че цялата енергия, светлина и материя са съставени от дискретни единици или кванти.

“А-ха, продължавай.”

Виждате, че има две особено важни явления в квантовата механика, които я отличават от класическата физика и които изглежда имат най-голямото обещание за бъдещи иновации. Първото явление е частица суперпозиция.

Класическата физика казва, че две неща не могат да бъдат на едно и също място едновременно или да присъстват напълно на повече от едно място наведнъж. Квантовата физика обаче казва, че „правилата са за губещи“ и позволява обектите да съществуват в две различни състояния едновременно – това състояние се нарича суперпозиция. Казано по-просто: суперпозицията означава, че един квантов обект може да бъде „това“ и „онова“, „там“ и „тук“ или „надолу“ и „нагоре“ едновременно. Объркан? Добре, това означава, че го получаваш. Но колкото и странно да звучи, изглежда, че голяма част от света се държи заедно от тела в суперпозиция и това е единствената теория, която обяснява неща като лазери и фотосинтеза.

„Какво е второто явление?“

Заплитане. Това е, когато два или повече квантови обекта се свързват, така че всяко измерване на единия незабавно решава състоянието на другите – независимо от разстоянието между тях. Сякаш има две въртящи се четвъртини от противоположните страни на вселената и всеки път, когато едната е спряна да се върти, другата също спира и показва същата стойност (например, глави или опашки) като първата.

„И така, какво общо имат тези две явления с компютрите?“

Страхотен въпрос. Компютърните учени постигат голям напредък в прилагането на квантовата механика към компютрите от следващо поколение. Използвайки суперпозиция и заплитане, например, ние изграждаме компютри, които използват кубити а не само парченца. Докато битовете са „1s“ и „0s“, за които винаги чувате, когато хората говорят за код, кубитите използват суперпозиция, за да означават много по-широк спектър от състояния, включително отрицателни стойности. Когато вземете тези по-гъвкави кубити и ги заплитате, вие експоненциално увеличавате изчислителната мощност и скоростта на компютъра.

„За колко по-мощни и бързи говориш?“

Е, през 2019 г. Google твърди, че е извършил изчисление на квантов компютър за 200 секунди, което би отнело около 10 000 години на най-модерния конвенционален суперкомпютър в света по това време. Така че да, много, много по-мощен и по-бърз.

„Уау“

Да, и това има големи последици. Например, правителствата по света използват криптиране, за да защитят своите най-чувствителни системи и информация. В момента най-бързият американски суперкомпютър ще отнеме повече от 1 милиард години, за да разбие най-модерното криптиране в света. Но въз основа на това, което виждаме в съвременната квантова компютърна наука, е възможно квантов компютър да разбие същото това криптиране за секунди.

Освен рисковете от криптиране, квантовите изчисления имат и други важни приложения за национална сигурност. Американските военни се опитват да използват “квантово наблюдение”, за да осигурят по-прецизна навигация, дори в райони, където GPS е забранен. По същия начин, квантовите технологии могат да се използват за откриване на самолети стелт, ядрени подводници или използване на химически или биологични оръжия от чужди противници.

Има много потенциални страхотни неща, които могат да бъдат направени с квантови компютри, а ние дори не сме си представяли повечето от тях. Но едно нещо, за което трябва да мислим, е рискът от „квантова изненада“, възможността друга нация да направи този пробив преди нас. Това би било много, много, много лошо.

„И така, какво е състоянието на надпреварата за квантови изчисления?“

Сложно е, защото няма ясна финална линия. Квантовите изчисления имат толкова много различни форми и приложения, че има много различни групи, работещи по различни части на проблема. Не е като надпреварата за изграждане на ядрена бомба или ходене по Луната, защото реализирането на тази цел изисква пълна екосистема от независими участници. Можем обаче да разберем някои неща за състезанието.

Например, по отношение на необработените възможности частните компании изглежда са водещи. От американска страна Google, Honeywell, Hughes Research, IBM, Intel, Lockheed-Martin, Microsoft, Northrop Grumman и шепа квантови стартиращи компании са в челните редици на голяма част от революцията в квантовите изчисления, често в партньорство с американски университети.

Специфичните за квантов капитал фондове за рисков капитал, като Quantum Valley Investments и Quantum Wave, наливат финансова подкрепа в обещаващи стартиращи компании, някои от които подкрепят амбициозни цели да надскочат големите компании като цяло в надпреварата за изграждане на усъвършенствани способности за квантови изчисления. Страни като Канада и Обединеното кралство също могат да се похвалят с редица потенциално силно въздействащи стартъпи в квантово отношение. В Китай технологичните гиганти Alibaba, Baidu и Tencent първоначално се забавиха да пробият в квантовите изчисления, но постигнаха печалби в тази област. Китайските стартъпи, често подкрепяни от подкрепяни от правителството компании за венчурни капитали, също са конкурентоспособни.

Но правителствата също са фокусирани върху предизвикателството. Правителствата по света обещаха около 22,5 милиарда долара публично финансиране за квантови изследвания и разработки през следващите години. Правителствата, които са обещали $1 милиард или повече, включват Индия, САЩ, Обединеното кралство, Франция, Германия и Китай. Канада, Русия, Израел, Япония, Холандия, Тайван, Сингапур, Австралия и Корея също са посветили публично десетки или стотици милиони долари за подобни цели, а на общоевропейския „Европейски квантов флагман“ е предоставен бюджет от 1,1 милиарда долара.

Фактът, че китайският правителствен бюджет се твърди, че представлява около 44 процента от общите международни публични разходи за една от най-важните нови технологии за интересите на националната сигурност, е тревожен факт. И въпреки че неговият квантов компютър Jiuzhang е силно ограничен в обхвата на своите възможности, тесният му успех предполага, че страната постига значителен напредък в квантовото развитие. Университетите и компаниите в страната непрекъснато увеличават темпа си на подаване на патенти в квантовите технологии, като вече са удвоили общия брой патенти, подадени от Съединените щати в сектора. По-специално в областта на квантовата комуникация и криптографията, патентната продукция на Китай надминава тази на САЩ и през 2018 г. Китай подаде повече квантови патенти, отколкото САЩ, Япония, Корея и ЕС, комбинирани.

Амбициите на Китай са ясни. Както обясни водещият квантов учен Джиан-Вей Пан: „Със съвременната информационна наука Китай е учащ и последовател. Сега, с квантовата технология, ако направим всичко възможно, можем да бъдем един от основните играчи.” Но последиците за националната сигурност на свят, в който Китай върви напред в квантовата технология, са тревожни. Както твърдят Елза Б. Кания и Джон К. Костело в своите отчет за 2018 г за Центъра за нова американска сигурност:

Напредъкът на Китай в квантовата наука може да повлияе на бъдещия военен и стратегически баланс, може би дори да надскочи традиционните военно-технологични предимства на САЩ. Въпреки че е трудно да се предвидят траекториите и времевите рамки за тяхното реализиране, тези квантови технологии с двойна употреба биха могли да „компенсират“ ключовите стълбове на американската военна мощ, потенциално подкопавайки критичните технологични предимства, свързани с днешните ориентирани към информация начини на война, олицетворени от САЩ модел.

„Добре, но не казахте ли, че администрацията на Байдън предприема някои нови действия – какви са те?“

Администрацията е издала изпълнителна заповед (EO) и меморандум за национална сигурност (NSM) насочени към засилване на усилията на САЩ в областта на квантовите изчисления и свързаните с тях последици за киберсигурността. EO създава Национален консултативен комитет на квантовата инициатива, който ще включва „директора на Службата за политика в областта на науката и технологиите (директор) или назначения от директора и не повече от 26 членове, назначени от президента, които са граждани на Съединените щати, представители на промишлеността, университетите и федералните лаборатории и които са квалифицирани да предоставят съвети и информация относно QIS и технологични изследвания, разработки, демонстрации, стандарти, образование, трансфер на технологии, търговско приложение или национална сигурност и икономически проблеми.” Придружаващият NSM се фокусира върху сигурността:

„Този ​​меморандум очертава политиките и инициативите на моята администрация, свързани с квантовите изчисления. Той идентифицира ключови стъпки, необходими за поддържане на конкурентното предимство на нацията в областта на квантовата информационна наука (QIS), като същевременно се смекчават рисковете от квантовите компютри за кибернетичната, икономическата и националната сигурност на нацията. Той насочва конкретни действия, които да предприемат агенциите, тъй като Съединените щати започват многогодишния процес на мигриране на уязвими компютърни системи към квантово устойчива криптография (добавено удебелено подчертаване). Засекретено приложение към този меморандум разглежда чувствителни въпроси на националната сигурност.”

„И така, какво означава всичко това, Клон? Трябва ли да бъда оптимист, да се страхувам, какво?”

Не се страхувайте – квантовата наука и конкретно квантовите изчисления са невероятни и биха могли да направят нашия индивидуален и колективен живот по-добър по безброй начини. Наличието на компютри, които са достатъчно мощни и бързи, за да моделират субатомния свят – вместо просто да гадаем какво се случва на това ниво на природата – може да преодолее бариерите в развитието на медицината, съхранението на енергия и почти всяка област на науката. Представете си лекарства, специално пригодени за вашия рак и вашето тяло. Или да можете да захранвате цял град с една батерия, която може да се побере вътре в ремарке на трактор. Или може би дори способността да се телепортират, както го правят Стар Трек (добре, това последното е пресилено, но кой знае?).

Но точно защото квантовите компютри ще бъдат толкова мощни, ние също трябва да приемем много сериозно риска от квантова изненада и злоупотреба с квантовите компютри. Като цяло мисля, че се справяме добре в това отношение, но не можем да се откажем. Напредъкът на Китай в квантовата сфера ме притеснява (шокиращо) и със сигурност не можем просто да приемем превъзходството на американските усилия.

В заключение, ще чувате все повече и повече за квантовата наука и квантовите компютри и се надявам, че тези бързи въпроси и отговори ще ви позволят да оцените по-добре впечатляващите перспективи на тези иновации, както и техните отрезвяващи последици за националната сигурност. За мен тези неща са олицетворение на това, което Артър К. Кларк имаше предвид, когато каза: „Всяка достатъчно напреднала технология е неразличима от магията“.

Това е всичко за това издание на Токът. Не забравяйте да коментирате тази публикация и да споделите този бюлетин със семейството, приятелите и последователите си. Можете също да ме последвате в Twitter (@KlonKitchen). Благодаря за отделеното време и ще се видим следващата седмица!