Насколько большим должен быть ваш квантовый компьютер?

Ожидается, что квантовые компьютеры будут иметь разрушительный эффект и потенциально могут повлиять на многие отрасли промышленности.

Поэтому исследователи из Великобритании и Нидерландов решили изучить две совершенно разные квантовые проблемы: взлом шифрования Bitcoin (цифровой валюты) и моделирование молекулы, ответственной за биологическую фиксацию азота.

Размеры квантовых компьютеров 

В журнале AVS Quantum Science издательства AIP исследователи описывают созданный ими инструмент для определения того, насколько большим должен быть квантовый компьютер для решения подобных задач и сколько времени это займет.

Подписывайтесь на наш youtube канал!

"Большинство существующих работ в этой области сосредоточено на конкретной аппаратной платформе - сверхпроводящих устройствах, подобных тем, над которыми работают IBM и Google", - говорит Марк Веббер из Университета Сассекса. "Различные аппаратные платформы будут сильно отличаться по ключевым характеристикам оборудования, таким как скорость операций и качество контроля над кубитами (квантовыми битами)".

Количество физических кубитов, необходимых для взлома 256-битного шифрования на эллиптических кривых 

Многие из наиболее перспективных вариантов использования квантовых преимуществ потребуют квантового компьютера с коррекцией ошибок. Коррекция ошибок позволяет выполнять более длительные алгоритмы, компенсируя присущие квантовому компьютеру ошибки, но за это приходится платить большим количеством физических кубитов.

Извлечение азота из воздуха для производства аммиака для удобрений является чрезвычайно энергоемким процессом, и усовершенствование этого процесса может повлиять как на нехватку продовольствия в мире, так и на климатический кризис. Моделирование соответствующих молекул в настоящее время находится за пределами возможностей даже самых быстрых суперкомпьютеров в мире, но должно быть под силу квантовым компьютерам следующего поколения.

"Наш инструмент автоматизирует расчет накладных расходов на коррекцию ошибок в зависимости от ключевых характеристик оборудования", - сказал Веббер. "Чтобы квантовый алгоритм работал быстрее, мы можем выполнять больше операций параллельно, добавляя больше физических кубитов. Мы добавляем дополнительные кубиты по мере необходимости, чтобы достичь желаемого времени работы, которое критически зависит от скорости выполнения операций на уровне физического оборудования".

Большинство аппаратных платформ для квантовых вычислений ограничены, потому что только кубиты, находящиеся рядом друг с другом, могут взаимодействовать напрямую. В других платформах, таких как некоторые ионные ловушки, кубиты не находятся в фиксированных позициях, а могут физически перемещаться - это означает, что каждый кубит может напрямую взаимодействовать с широким набором других кубитов. 

"Мы исследовали, как наилучшим образом использовать эту способность соединять удаленные кубиты с целью решения проблем за меньшее время с меньшим количеством кубитов", - сказал Веббер. "Мы должны продолжать адаптировать стратегии коррекции ошибок, чтобы использовать сильные стороны базового оборудования, что может позволить нам решать важные проблемы с помощью квантового компьютера меньшего размера, чем предполагалось ранее".

Квантовые компьютеры экспоненциально более мощные во взломе многих методов шифрования, чем классические компьютеры. Мир использует шифрование RSA для большинства безопасных коммуникаций. Шифрование RSA и то, которое использует Bitcoin (алгоритм цифровой подписи на основе эллиптической кривой), однажды станут уязвимыми для атаки квантовых компьютеров, но сегодня даже самый большой суперкомпьютер никогда не сможет представлять серьезную угрозу.

Исследователи подсчитали, какого размера должен быть квантовый компьютер, чтобы взломать шифрование сети Биткойн в тот небольшой промежуток времени, когда он будет представлять реальную угрозу - в период между его анонсом и интеграцией в блокчейн. Чем больше комиссия, уплаченная за транзакцию, тем короче будет это окно, но, скорее всего, оно составляет от нескольких минут до нескольких часов.

"Современные квантовые компьютеры сегодня имеют только 50-100 кубитов", - сказал Веббер. "Наше расчетное требование в 30 [миллионов] - 300 миллионов физических кубитов говорит о том, что пока Биткойн следует считать защищенным от квантовой атаки, но устройства такого размера в целом считаются достижимыми, а будущие достижения могут еще больше снизить требования".

Сеть Биткойна может выполнить "жесткий форк" для квантово-безопасной техники шифрования, но это может привести к проблемам масштабирования сети из-за увеличения потребности в памяти".

Исследователи подчеркивают скорость совершенствования как квантовых алгоритмов, так и протоколов коррекции ошибок.

"Четыре года назад мы предполагали, что для взлома шифрования RSA устройству с ионной ловушкой потребуется миллиард физических кубитов, что потребует устройства площадью 100 на 100 квадратных метров", - сказал Веббер. "Теперь, благодаря повсеместным усовершенствованиям, эта площадь может резко сократиться до 2,5 на 2,5 квадратных метров".

Крупномасштабный квантовый компьютер с коррекцией ошибок должен быть способен решать важные проблемы, которые не под силу классическим компьютерам.

"Моделирование молекул находит применение для повышения энергоэффективности, создания батарей, улучшенных катализаторов, новых материалов и разработки новых лекарств", - говорит Веббер. "Дальнейшие приложения существуют повсеместно - в том числе для финансов, анализа больших данных, потоков жидкости для проектирования самолетов и оптимизации логистики". опубликовано econet.ru по материалам scitechdaily.com

Лучшие публикации в Telegram-канале Econet.ru. Подписывайтесь!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet