Квантовая Битва: Мир На Пороге Эры Без Секретов
[музыка] Скрытая среди этих заснеженных холмов находится секретное учреждение — дом для революционной машины, которая может использовать физику настолько странную, что это звучит как магия. Это исследовательский центр IBM. Здесь произошли некоторые из самых значительных прорывов в истории информатики, и, вероятно, будет еще несколько, потому что именно здесь строят квантовые компьютеры. Их потенциал огромен, обещая прорывы в материаловедении, медицине, фундаментальной физике и не только.
Но есть и Тёмная сторона, потому что они будут обладать способностью расшифровывать все интернет-коммуникации. Эксперты говорят, что сейчас идет квантовая гонка вооружений между Соединенными Штатами и их крупнейшим экономическим соперником, Китаем. Я профессор Ханна Фрай, математик и писатель. Я хочу узнать, куда нас приведет квантовая технология и, с учетом угрозы международной безопасности, кто выйдет наверх.
[музыка] Это исследовательская штаб-квартира одной из старейших компаний в сфере технологий — IBM. Здесь изобретают новые вычислительные технологии с 1960 годов. Это как если бы семейка Джетсоны встретилась с Флинтстоунами. [музыка] Ученый Оливия Лейс показывает мне новейшую экспериментальную машину IBM. Этот блестящий гигант, IBM Quantum System 2, звучит как будто это началось. Но в чем же дело? Я имею в виду, почему просто не построить обычный суперкомпьютер?
Это совершенно другой путь. Это не просто суперкомпьютеры или более мощные, а совершенно иной способ вычислений. Большая разница заключается в способности компьютера использовать загадочные эффекты квантовой физики. Стандартные компьютеры выполняют вычисления, используя миллиарды крошечных переключателей, известных как биты. Эти устройства очень надежны, они очень точны и работают последовательно.
Если вы попросите стандартный компьютер решить лабиринт, он будет проверять каждый возможный путь один за другим, пока не найдёт решения. Теперь в зависимости от размера лабиринта это может занять секунды или минуты, а для действительно большого лабиринта даже годы. Квантовый компьютер, с другой стороны, работает немного иначе. Здесь биты известны как квантовые биты или кубиты, и вместо того чтобы просто быть включёнными или выключенными, кубит может находиться в состоянии, называемом суперпозиция, где он может быть одновременно и включённым, и выключенным.
Ну, хорошо, я знаю, что это не совсем имеет смысл, но, к сожалению, именно так работает физика на атомном уровне. Так что просто следуйте за мной. Эта странная способность кубита находиться в двух состояниях одновременно означает, что серия кубитов может решать множество вычислений одновременно. Итак, если вы попросите квантовый компьютер решить лабиринт, это означает, что он может пройти все возможные маршруты одновременно, предоставляя вам ответ мгновенно.
Это может позволить квантовому компьютеру завершать за минуты вычисления такой сложности, на которое современным суперкомпьютерам потребовались бы миллионы лет. Но это не единственная причина, по которой они меняют правила игры для науки. Я думаю, что суть в том, что природа является квантово-механической, и атомные взаимодействия. Природа не подчиняется классической физике, так что это очень грубое приближение.
И если мы действительно хотим понять, как природа эволюционирует во времени, нам нужно иметь систему, которая подчиняется квантовой физике. Так что я думаю, это наконец даёт нам возможность проводить симуляции на уровне атомов. И когда у вас это есть, я имею в виду, вы можете разрабатывать лекарства на уровне атома, верно? Вы можете разрабатывать материалы для батареи. И у нас этого раньше не было; у нас не было этого. Когда говорят о квантовых вычислениях, люди испытывают восторг не только мощностью, но и тем, как быстро можно выполнять вычисления.
Потому что, хорошо, конечно, всё это может быть правдой, но мы должны рассматривать это так, как будто кто-то только что изобрёл телескоп, и вдруг мы можем видеть и понимать всё на масштабе, к которому у нас просто не было доступа раньше. По крайней мере, это амбиция. Квантовые компьютеры пока не могут выполнять полезные вычисления лучше, чем суперкомпьютеры, потому что на практике добиться даже небольшого количества кубитов, которые дадут надёжный ответ, феноменально сложно.
Теперь ты понял? О боже! Ух ты! Это лаборатория IBM, где они тестируют новое оборудование, место, где мы можем увидеть внутренности машины. О, это экстраординарное! 2 изнутри. Да что мы тогда рассматриваем? Я думаю, что у многих людей есть небольшое заблуждение. Они видят эту блестящую золотую вещь и думают, что это квантовый компьютер. На самом деле это не так. Это квантовый компьютер? Так что это крошечная вещь, верно? Это чип Герона.
Это 133 кубита, которые я держу на ладони. Сколько это стоит? Много, не урони его. Я просто постараюсь не уронить. Чип содержит кубиты, которые выполняют вычисления, и справедливо сказать, что они немного капризны. Мы пытаемся изменить энергетическое состояние кубита между нулём и единицей очень контролируемым образом. Таким образом, любой внешний источник энергии, который может немного изменить его, сломает ваш алгоритм и даст вам неправильный ответ.
Внешняя энергия включает любое тепло. Чтобы сохранить деликатное квантовое состояние кубитов, чип должен поддерживаться в крайне холодном состоянии. Этот клубок позолоченных труб и проводов на самом деле является системой охлаждения, которая охлаждает чип до температуры чуть выше абсолютного нуля. Для сравнения, космическое микроволновое фоновое излучение в космосе значительно теплее. О боже мой! Итак, это самое холодное вещество в известной Вселенной? Это непостижимо холодно, но этим парням это нравится. Им это нравится.
Сосредоточьтесь на своей работе, перестаньте обращать внимание на любую энергию вокруг вас, верно? IBM заявляет, что они раскроют полный потенциал квантовых вычислений к 2033 году. Как вы можете себе представить, это было дорогостоящее предприятие. У вас есть представление о том, сколько IBM потратит на эту квантовую программу? Мы еще не достигли прорыва, но думаю, справедливо сказать, что это очевидные инвестиции. На многие миллиарды долларов, знаете? Наша компания тратит почти 7 миллиардов долларов в год на НИОКР, верно?
И сегодня в нашем технологическом мире, если вы не инвестируете, вы не можете быть мировым лидером. Но у вас есть конкуренция, верно? Насколько вы следите за тем, что делают все остальные? Дим за всей экосистемой, но посмотрите, мы занимаем такую позицию, потому что мы были своего рода лидерами и пионерами в этой области, и мы хотим, чтобы это стало индустрией. Мы не хотим быть, знаете, одни в этом.
Насколько вы сотрудничаете с другими компаниями, такими как Google и Microsoft, которые также работают в этой области? Мы много сотрудничаем с внешними партнёнарами. Для нас сотрудничество в этом вопросе является основой создания экосистемы. Это возвращает нас к идее создания отрасли. Вы сотрудничаете с китайскими компаниями?
Нет, мы не делаем. Ну, продолжай. Ну, я думаю, мы признаём тот факт, что в этой технологии квантовой, верно, но мы видим, как это происходит. Кстати, и в других областях, таких как полупроводники и так далее, существует не только большая экономическая составляющая, но и значительное влияние на национальную безопасность.
С этой точки зрения, квантовые технологии полностью попадают в категорию ги. Насколько важно для США быть лидерами в этом? Это критически важно, и я думаю, что это признаётся в двухпартийном порядке. Одним из явлений, которые мы наблюдаем, является то, что технологии стали столь же важны, как торговля и военные альянсы. Квантовые вычисления безусловно являются одной из ключевых технологий, в которой Соединенные Штаты должны занять лидирующие позиции. На данный момент Соединенные Штаты сохраняют превосходство в разработке квантовых компьютеров.
Но их главный соперник быстро догоняет. Непоколебимая победа, ключевая технология, битва атаки и защиты. Китай делает большие ставки: они инвестировали более 15 миллиардов долларов, что в три раза больше, чем у нас. У них есть десятки новых исследовательских институтов, посвященных квантовым технологиям, и они владеют более половины всех патентов в области квантовых технологий.
Привет. Привет. Как дела? Эксперт по безопасности Ана Пуг консультирует правительство США о том, как не отставать. Китай действительно рассматривает науку и технологии как национальное достояние. Он говорит не только о том, чтобы быть лидером, но и в эти ключевые области. Разве США не рассматривают науку как национальное достояние?
Я не думаю, что у нас есть такой же комплексный стратегический план, который объединяет все аспекты общества и действительно предполагает долгосрочные инвестиции. С тем, с чем мы сталкиваемся? Это неравные условия для всех. Наши исследователи фактически противостоят финансированию целого государства. О чем мы говорим в терминах разницы в финансировании?
Это хорошо. У меня есть лаборатория. У меня есть пять или шесть, может быть, четыре или шесть аспирантов в моей лаборатории. В то время как эквивалентные лаборатории имеют, вы знаете, 50-100 аспирантов или постдоков. США наносят ответный удар. Я убедился, что самые передовые американские технологии не могут быть использованы в Китае, и благодаря нашему закону о полупроводниках и науке, США инвестирует больше в исследования и разработки, чем когда-либо прежде.
Тот, кто первым осознаёт потенциал квантовых компьютеров, будет обладать невероятной силой. Но это меч с двумя лезвиями, потому что мир с квантовыми компьютерами может стать миром без секретов. Практически все интернет-коммуникации основаны на их шифровании с использованием секретного кода, иначе известного как шифрование. И многое из этого использует очень хитрый математический трюк с простыми числами.
Что вы делаете? Так, вы берёте два простых числа, скажем, 17 и 31, а затем умножаете их, чтобы получить код, в данном случае 527. Теперь это очень просто. Компьютеру очень легко умножать числа, гораздо сложнее, если у вас есть только длинное число и нужно выяснить, какими были два секретных простых числа. Единственный способ сделать это с классическими компьютерами — это проверять все простые числа, чтобы увидеть, работают ли они одно за другим.
Распространённый тип шифрования RSA использует простые числа, состоящие из сотен цифр. Для взлома этих кодов обычному компьютеру потребовались бы триллионы лет, и это действительно является препятствием для шифрования. Дело не в том, что это невозможно. Это просто занимает очень-очень много времени. Здесь на помощь приходят квантовые вычисления, потому что квантовые компьютеры, используя суперпозиции, могут одновременно выполнять множество расчётов и могут сделать что-то подобное — взломать.
[музыка] Это означает, что зашифрованные данные могут быть взломаны в кратчайшие сроки. Кто боится массовой глобальной утечки данных больше, чем банковская отрасль? Доктор Филип Интерра, руководитель отдела квантовых технологий в HSBC, говорит: "Мы обрабатываем платежи на сумму 3,5 триллиона фунтов каждый год, поэтому криптография имеет для нас большое значение. Насколько катастрофой это было бы, если бы люди просто сидели, сложа руки, и ничего не делали?"
Шифры будут ставить под сомнение безопасность своих аккаунтов, включая кражу личных данных и мошеннические транзакции. Деньги крадут — это приведёт к финансовым потерям. Клиенты потеряют деньги, банки потеряют деньги. Но я думаю, что в конечном итоге самым большим риском является элемент доверия. Если клиенты не могут доверять своему банку в том, чтобы он обеспечивал безопасность их счетов и денег, а также их данных, то это своего рода экзистенциальный риск.
Да, я имею в виду, что это основополагающая часть банковского дела. Можешь ли ты быть абсолютно уверенным, что этого уже не произошло? Я имею в виду, что если бы у меня был квантовый компьютер, я мог бы прочитать всё? Не уверен, что я бы рассказал об этом людям. Нет, вы, вероятно, не смогли бы. Я думаю, что очень маловероятно, что у кого-то сейчас есть квантовый компьютер, достаточной мощности для этого.
Но может существовать атака типа "сохранить сейчас, расшифровать позже" или "собрать сейчас, расшифровать позже", и это как раз та идея, что государственные акторы или злонамеренные сущности в настоящее время могут начать перехватывать наши данные, хранить их и просто держать в готовности до момента, когда появится криптографический квантовый компьютер. Мы говорим здесь о проблемах национальной безопасности. Это в конечном итоге то, что вызывает наибольшее беспокойство, это важная область. Нам нужно волноваться.
Госакты, скорее всего, будут раскрывать секреты. Вы узнаете, кто все шпионы. Если вы внезапно потеряете эту секретность и безопасность, это приведёт ко всем видам уязвимостей на личном уровне, на национальном уровне с точки зрения безопасности и коммерции, и поэтому, вы знаете, это очень-очень серьёзно. HSBC заявляет, что бездействие просто не является вариантом. Банк тестирует способ защиты своих данных от атак квантовых компьютеров.
Сегодня интернет данные передаются с помощью лазерных импульсов в оптоволокне. Это доктор Эндрю Шилдс, руководитель квантовых технологий в BT. В общем, оптоволоконные сети очень безопасны, но они уязвимы к подслушиванию. Если я введу небольшой изгиб в волокно, вы можете увидеть, что часть света теперь просачивается наружу, и на самом деле хакер может использовать его.
Они могут ввести небольшой изгиб, чтобы отвести часть света и измерить это для восстановления данных. Так что вам нужно всего лишь получить доступ к кабелю. Действительно, это очень просто. Боже мой! Эндрю создал устройство, которое использует странный мир квантовой физики для передачи данных таким образом, который, по его словам, никогда не может быть взломан. Это называется квантовым распределением ключей.
Оно да, это оно! Что делает эта коробка? Так это отправляет одиночные фотоны через оптоволокно в сеть BT, и мы используем это для формирования ключей шифрования, и эти ключи шифрования затем используются для защиты данных, отправляемых между этим местом и дата-центром в Берксире. Устройство генерирует секретный код, используя отдельные частицы света, фотоны, которые отправляются по одному через оптоволоконный кабель.
Ментальный закон квантовой физики гласит, что если вы наблюдаете за фотоном, вы изменяете его квантовое состояние. А это означает, что если злоумышленник попытается перехватить ключ, код будет изменён, что сделает его непригодным. Устройство уже использует существующую волоконно-оптическую компанию BT для передачи конфиденциальных файлов через Лондон в дата-центр, расположенный более чем в 30 милях.
Расскажите мне о информации, отправляемой этим методом. Таким образом, в случае с HSBC это финансовые данные, но мы проводили и другие испытания с больницами, где они передавали данные медицинских сканирований, или с правительствами, где они передавали некоторые государственные данные. Вы чувствуете эту срочность со стороны компаний, хотя мы не достигли квантовых компьютеров? Да, это абсолютно так. Растёт осознание того, что квантовый компьютер приближается.
Как ты думаешь, насколько это далеко? Ну, нет — это очень трудный вопрос для ответа. Если бы я был азартным человеком, может быть, я бы сказал 5-7 лет. Здесь нет никаких "может быть". Дело не в том, произойдёт это или нет, а в том, когда это произойдёт. И это полное признание того, что, когда это произойдёт, наши существующие коммуникационные системы больше не будут соответствовать требованиям.
Это ставит вас в положение, когда у вас нет выбора, кроме как найти что-то другое, что работает и безопасно. Некоторые добились большего прогресса, чем другие. В 2016 году Китай шокировал мир, запустив спутник, способный передавать квантовые ключи на значительно большие расстояния, чем оптоволокно. Это часть широкой квантовой сети, которую Китай построил, соединяя банки, правительство и промышленность по всей стране, оставляя другие нации в спешке пытаться догнать.
На сверкающих улицах Сингапура квантовая революция нашла благодатную почву. Учёные здесь хотят создать неуязвимую сеть, которую можно будет коммерчески использовать, чтобы любой мог её использовать. Профессор Александр Линг руководит центром квантовых технологий в Национальном университете Сингапура, который является финансируемой государством группой учёных, работающих над различными аспектами квантовой технологии.
Мне сказали, что я увижу несколько наноспутников. Хорошо, я думаю, это даже более нано, чем я ожидал. Это более чем в 200 раз легче, чем квантовый спутник Китая. Хорошо, расскажите мне об experimentе тогда. Какова главная цель? Главная цель заключается в том, чтобы построить глобальную сеть, через которую мы сможем распределять квантовые сигналы по всему миру.
Мы можем распределять квантовые сигналы с помощью оптоволокна, но у этого есть ограничение по расстоянию. Мы не можем повторять эти квантовые сигналы. Мы считаем, что если у вас есть спутники с оптоволоконными сетями, вы действительно можете построить обширную сеть по всему миру. Итак, когда вы запускаете ракету, вы предположительно имеете несколько из них, и вы как бы размещаете их там, где хотите? Действительно, да. Да, вы правы.
То, что мы делаем в Сингапуре, это проверка возможности использования аналогичной технологии на гораздо меньших спутниках. Вы можете представить, что если это сработает, у вас будет флот меньших спутников, который будет более экономически эффективным, и это сделает развёртывание такой системы более вероятным. Его план заключается в том, чтобы запускать одиночные фотоны в космос и обратно через сеть спутников и телескопов. Эти квантовые ключи обеспечат неуязвимую глобальную связь.
Так это ваш шикарный ловец фотонов, верно? Это телескоп, который будет принимать сигналы от [аплодисменты] спутника. Долгосрочная связь — это лишь одна часть работы профессора Александра Линга. Он также сотрудничает с компаниями из США и Китая. Квантовая технология была разработана в эпоху, когда международные отношения были более расслабленными, скажем так, это началось в конце восьмидесятых — начале девяностых.
И в то время все были открыты для обмена людьми и идеями. Сохраняется ли это желание сотрудничества, или оно стало несколько менее активным из-за геополитической ситуации, в которой мы находимся? Я думаю, что, несмотря на существующую напряженность, геополитическая напряженность, и время от времени люди говорят о контроле экспорта и подобных вещах, кажется, у всех высокие ожидания относительно того, когда квантовая технология принесёт свои преимущества.
Если вы введёте контроль слишком рано, прежде чем будет решено много проблем, вы, вероятно, отложите дату развёртывания, дату, когда вы увидите реальное применение. Учёные понимают, как квантовые компьютеры могут значительно ускорить их открытия. Банки и правительства видят риски и потенциал для экономического роста. Но действительно ли дуэль с высокими ставками за превосходство определит будущее глобальной власти?
Я думаю, что риторика вокруг этого всё ставит квантовую гонку, верно, между двумя гигантскими сверхдержавами, которые бросают все свои ресурсы на это. Я не думаю, что это похоже на прежние гонки. Это не космическая гонка или гонка ядерных вооружений, так как не считаю, что возможен только один победитель. Квантовое будущее заключается в создании научного инструмента, который позволяет нам видеть и понимать вселенную на уровне, таким образом, как мы никогда не имели к этому доступа ранее.
И ладно, может быть, я просто оптимист, но я думаю, что это то, от чего всё человечество сможет извлечь выгоду.
[музыка] [музыка]