By Sandra Helzel opublikowano 13 września 2022
Quantum News Brief dzisiejszy dzień rozpoczyna się od „Insights from a Visit to Quantum Research Labs IBM”, po którym następuje niezależne od urządzenia badanie QKD (DIQKD), które sprawi, że hakowanie stanie się daremne; a po trzecie raport na temat naukowców opracowujących ultracienkie urządzenie „Metasurface” dla technologii kwantowej i WIĘCEJ.
Spostrzeżenia z wizyty w Quantum Research Labs IBM
Kevin Krewell, współpracownik Forbesa, niedawno odwiedził Quantum Research Labs IBM w Yorktown Heights w stanie Nowy Jork i rozmawiał z Jayem Gambettą, IBM Fellow i wiceprezesem Quantum Computing, IBM Research oraz jego zespołem pracującym nad rozwojem komputerów kwantowych. Quantum News Briefs podsumowuje najważniejsze punkty poniżej. Przeczytaj cały wywiad i analizę tutaj.
Krewall rozpoczyna się tym wyjaśnieniem: „Celem badaczy IBM jest uczynienie komputerów kwantowych tak wszechobecnymi, jak to tylko możliwe, aby rozwiązywać unikalne problemy. Aby systemy kwantowe były bardziej dostępne, muszą stać się „natywne dla chmury” lub „bezserwerowe”, ponieważ stają się zasobem w chmurze, naliczanym na podstawie wykorzystania. W dobie zdezagregowanych centrów danych kwantowe mogą być jednym z wyspecjalizowanych elementów obliczeniowych dostępnych dla klasycznych komputerów, podobnie jak dzisiejsze procesory graficzne”.
Następnie Krewall dokonuje przeglądu celu IBM, jakim jest 1 milion kubitów: IBM Research podąża podobną ścieżką, jak w przypadku klasycznych komputerów: umieszcza więcej i szybszych kubitów na chipie za pomocą skalowania krzemowego; połączyć wiele matryc kwantowych jako kafelki; i budować klastry współpracujących ze sobą komputerów kwantowych.
Podczas gdy celem jest zbudowanie systemów z milionami surowych kubitów do obliczeń kwantowych odpornych na błędy, w międzyczasie można wykonać wiele pracy, aby poprawić wydajność surowych kubitów, aby wykonywać więcej pracy wcześniej, stosując kwantowe ograniczanie błędów. Aby uzyskać lepsze wyniki kwantowe przy użyciu dzisiejszych stosunkowo hałaśliwych i krótkotrwałych kubitów, należy zastosować pewne obejścia. Firma IBM Research opracowała kilka przydatnych technik łagodzenia błędów.
Ostatecznym celem praktycznych obliczeń kwantowych jest zapewnienie przewagi nad komputerami klasycznymi w celu rozwiązania istotnych problemów w rozsądnych ramach czasowych.
*****
Naukowcy opracowują ultracienkie urządzenie „Metasurface” dla technologii kwantowej
Naukowcy w Sandia Laboratoria Narodowe i Max Planck Instytut Nauki o Świetle donieśli o urządzeniu, które mogłoby zastąpić pokój pełen sprzętu do łączenia fotonów w dziwaczny efekt kwantowy zwany splątaniem. To urządzenie — rodzaj materiału nanoinżynieryjnego zwanego metapowierzchnią — toruje drogę do splątania fotonów w złożony sposób, który nie był możliwy w przypadku technologii kompaktowych.
Badania nad przełomowym urządzeniem, które jest sto razy cieńsze od kartki papieru, przeprowadzono m.in. Centrum Zintegrowanych Nanotechnologii, obiekt użytkownika Biura Naukowego Departamentu Energii obsługiwany przez krajowe laboratoria Sandia i Los Alamos. Zespół Sandii otrzymał dofinansowanie z programu Office of Science, Basic Energy Sciences.
Nowa metapowierzchnia działa jak brama do tego niezwykłego zjawiska kwantowego. Pod pewnymi względami przypomina to lustro w „Po drugiej stronie lustra” Lewisa Carrola, przez które młoda bohaterka Alice doświadcza dziwnego, nowego świata.
Zamiast przechodzić przez swoje nowe urządzenie, naukowcy świecą przez nie laserem. Wiązka światła przechodzi przez ultracienką próbkę szkła pokrytą nanoskalowymi strukturami wykonanymi z popularnego materiału półprzewodnikowego zwanego arsenkiem galu. „To miesza wszystkie pola optyczne” – powiedział starszy naukowiec Sandia Igal Brener, ekspert w dziedzinie zwanej optyką nieliniową, który kierował zespołem Sandia. Od czasu do czasu, powiedział, para splątanych fotonów o różnych długościach fal wyłania się z próbki w tym samym kierunku, co nadchodząca wiązka lasera.
W artykule Science opisano, w jaki sposób zespół z powodzeniem dostroił swoją metapowierzchnię, aby wytwarzać splątane fotony o różnych długościach fal, krytyczny prekursor generowania kilku par misternie splątanych fotonów jednocześnie.
*****
Niezależny od urządzenia QKD (DIQKD) sprawi, że hakowanie będzie daremne
Niezależny od urządzenia QKD (w skrócie DIQKD) jest teoretycznie znany od lat 1990. XX wieku, ale został dopiero eksperymentalnie wdrożony przez międzynarodowy zespół badawczy kierowany przez Ludwig Maximilian University w Monachium fizyk Harald Weinfurter i Charles Lim z National University of Singapore (NUS). Urządzenie nie ma wpływu na protokół kryptograficzny. Quantum News Briefs podsumowuje i udostępnia ostatni raport z SciTechDaily.
W przypadku konwencjonalnych metod QKD bezpieczeństwo jest gwarantowane tylko wtedy, gdy zastosowane urządzenia kwantowe zostały wystarczająco dobrze scharakteryzowane. „I tak użytkownicy takich protokołów muszą polegać na specyfikacjach dostarczonych przez dostawców QKD i ufać, że urządzenie nie przełączy się w inny tryb pracy podczas dystrybucji klucza”, wyjaśnia Tim van Leent, jeden z czterech głównych autorów papier obok Wei Zhang i Kai Redeker. Od co najmniej dekady wiadomo, że starsze urządzenia QKD można łatwo zhakować z zewnątrz, kontynuuje van Leent.
W DIQKD test jest stosowany „szczególnie w celu upewnienia się, że przy urządzeniach nie ma manipulacji – to znaczy na przykład, że ukryte wyniki pomiarów nie zostały wcześniej zapisane w urządzeniach”, wyjaśnia Weinfurter.
„Dzięki naszej metodzie możemy teraz generować tajne klucze za pomocą niescharakteryzowanych i potencjalnie niewiarygodnych urządzeń” — wyjaśnia Weinfurter.
Jednym z kolejnych celów jest rozszerzenie systemu o kilka splątanych par atomów. „Pozwoliłoby to na generowanie znacznie większej liczby stanów splątania, co zwiększa szybkość transmisji danych i ostatecznie bezpieczeństwo klucza” — mówi van Leent.
*****
Geopolityczny pęd do rozwoju technologii kwantowych widziany z Indii
Stany Zjednoczone, Chiny, Rosja i Wielka Brytania to świat gracze którzy mają przewagę w dziedzinie kwantowej. Zamiar krajów, aby opracować komputery kwantowe, stał się nie do odparcia zdobyć strategicznym liderem w cyberbezpieczeństwie, operacjach wywiadowczych i przemyśle gospodarczym. Ved Shinde jest studentem politologii i ekonomii w St Stephens College na Uniwersytecie w Delhi w Indiach, jest autorem tego przeglądu globalnego rozwoju kwantowego w The Geopolitics.
Wymienione wyżej narody mają oddany wykładnicze zasoby pieniężne na badania i rozwój kwantowy. Obecnie w Stanach Zjednoczonych znajduje się największy na świecie komputer kwantowy, IBM Eagle. IBM też poszukuje zdominować przestrzeń kwantową za pomocą mega-komputera, który mógłby potencjalnie przetworzyć ponad 1.000 kubitów. Potęgi technologiczne, takie jak Google, Microsoft i IBM, to amerykańskie firmy, które pozwalają Stanom Zjednoczonym zachować silną pozycję lidera w dziedzinie komputerów kwantowych.
Chiny, Stany Zjednoczone i Wielka Brytania mają konkurencyjne krajowe plany przyciągania talentów i wiedzy informatycznej. Na przykład chiński mają swój „Plan Tysiąca Talentów”, który przykuł wzrok na całym świecie. Pekin trwoni pieniądze, aby zwabić naukowców i badaczy. Chiny też mają zainwestowany w dwóch różnych ścieżkach architektonicznych w celu uzyskania przewagi obliczeniowej w supremacja kwantowa. Ścieżki te to próbkowanie bozonów gaussowskich oparte na świetle i losowe próbkowanie obwodów kwantowych oparte na elektronach, które jest również wykorzystywane w Eagle firmy IBM.
Zarówno Stany Zjednoczone, jak i Chiny dodatkowo nałożyły restrykcje na krajowe firmy, aby ograniczyć wymianę technologiczną między sobą. To wzbudziło pytania z różnych stron dotyczące dynamiki geopolitycznej kształtującej łańcuchy dostaw technologii kwantowej. Ze względu na ich skoncentrowany i kapitałochłonny charakter, te łańcuchy dostaw są pod kontrolą groźba rywalizacji geopolitycznej. Będzie się to nasilać w miarę opracowywania systemów własności intelektualnej i globalnych standardów technologii kwantowych.
Francja, Niemcy, Australia, Kanada, Szwajcaria, Austria, Izrael, Holandia, Indie, Korea Południowa, Singapur i Japonia to tylko kilka inny narody, które również stworzyły dobrze zdefiniowane inicjatywy krajowe w technologiach kwantowych.
Dla kraju takiego jak Indie technologie kwantowe oferują wiele możliwości. Eksperci wskazują, że szyfrowanie kwantowe może zabezpieczyć komunikację, symulacja kwantowa może pomóc w badaniu materiałów dla zielonych technologii, a wykrywanie kwantowe może pomóc w mapowaniu wpływu zmian klimatycznych. Indie uruchomiły już Narodową Misję ds. Technologii i Zastosowań Kwantowych (NMQTA) z całkowitym budżetem wydatki ośmiu tysięcy crore rupii i wykazał swój zamiar w rozwoju tych technologii.
*****
dr Sandra K. Helsel zajmuje się badaniami i raportami na temat technologii granicznych od 1990 roku. z Uniwersytetu Arizony.
