Computer Research and Modeling

Review of Modern State of Quantum Technologies

Roman Viktorovich Dushkin

Published Apr 1, 2018• 7 citations

Abstract

Сегодня квантовые технологии могут получить новый виток развития, что, наверняка, даст возможность получить решения для многочисленных задач, которые ранее не поддавались решению в рамках традиционных парадигм и вычислительных моделей.Все человечество стоит у порога так называемой второй квантовой революции, и ее краткосрочные и отдаленные последствия затронут практически все сферы жизни глобального общества.Свое непосредственное развитие получат такие направления и отрасли науки и техники, как материаловедение, нанотехнология, фармакология и биохимия вообще, моделирование хаотичных динамических процессов (ядерные взрывы, турбулентные потоки, погода и долгосрочные климатические явления) и т. д., а также решение любых задач, которые сводятся к перемножению матриц больших размеров (в частности, моделирование квантовых систем).Однако вместе с необычайными возможностями квантовые технологии несут с собой и определенные риски и угрозы, в частности слом всех информационных систем, основанных на современных достижениях криптографии, что повлечет за собой практически полное разрушение секретности, глобальный финансовый кризис из-за разрушения банковской сферы и компрометации всех каналов связи.Даже несмотря на то, что уже сегодня разрабатываются методы так называемой постквантовой криптографии, некоторые риски еще необходимо осознать, так как не все долгосрочные последствия могут быть просчитаны.Вместе с тем ко всему перечисленному надо быть готовым, в том числе при помощи подготовки специалистов, работающих в области квантовых технологий и понимающих все их аспекты, новые возможности, риски и угрозы.В связи с этим в настоящей статье приводится краткое описание текущего состояния квантовых технологий, а именно квантовой сенсорики, передачи информации при помощи квантовых протоколов, универсального квантового компьютера (аппаратное обеспечение) и квантовых вычислений, основанных на квантовых алгоритмов (программное обеспечение).Для всего перечисленного приводятся прогнозы развития в части воздействия на различные сферы человеческой цивилизации.

DOI: 10.20537/2076-7633-2018-10-2-165-179

Related papers

Quantum Computing Role in Advancing Medical Physics Research

Университет Аль-Нур, Alaa Salim Abdalrazzaq, Амир Бадр Худхаир +7 more

Исследуется роль квантовых вычислений в исследованиях в области медицинской физики с упором на их потенциал для повышения эффективности и точности вычислений и разработки новых подходов к лечению. Проведен тщательный анализ литературы последних достижений в области квантовых вычислений и их применения в медицинской физике. Тематические исследования рассмотрены для демонстрации практического применения и возможных преимуществ. Теоретические модели протестированы для прогнозирования будущего развития. Статистические данные о реализации квантовых вычислений собраны из многих источников, особенно об улучшении скорости и точности обработки в приложениях медицинской физики. Результаты показывают, что квантовые вычисления могут значительно повысить скорость обработки сложных методов моделирования и визуализации, при этом некоторые квантовые алгоритмы превосходят классические алгоритмы до 100 раз. Статистические результаты подтверждают перспективность квантовых вычислений. При планировании лучевой терапии квантовые вычисления продемонстрировали повышение точности расчета распределения дозы на 25%. Квантовые алгоритмы сократили время вычислений при молекулярном моделировании примерно на 40%, потенциально ускоряя разработку лекарств и индивидуальную терапию на 30%. Квантовые вычисления могут изменить медицинскую физику за счет увеличения вычислительных мощностей, что может привести к прогрессу в диагностике, планировании лечения и разработке лекарств.

Radioelectronics Nanosystems Information TechnologiesSep 17, 20240 citations

KEY CYBER SECURITY TRENDS RELATED TO THE QUANTUM EXCHANGE

Vasiliy V. Velikanov, A.S. Ermolaev

Данная статья посвящена рассмотрению проблемы квантового поворота и его влияния на тенденции в области кибербезопасности.Стремительный прогресс в области создания и использования квантовых компьютеров и квантовых вычислений, названный квантовым поворотом, а также быстроразвивающаяся квантовая криптография создают значительные угрозы в области кибербезопасности.Среди основных тенденций, создающих угрозы, необходимо отметить усиливающуюся американо-китайскую гонку за лидерство на рынке квантовых компьютеров и квантовых вычислений, которая увеличивает уровень неопределенности и рисков на рынке квантовых технологий.Также стоит отметить кратный рост успешных попыток проникновения в сети предприятий через домашние сети сотрудников, что связано, прежде всего, с ростом количества работников компаний, занятых удаленно, и значительным прогрессом в области совершенствования инструментов проникновения, используемых киберпреступниками.Третьей значимой тенденцией в области кибербезопасности станет рост опасности интернета вещей.В условиях квантового поворота возникают значительные угрозы безопасности пользователей так называемых умных вещей.С нашей точки зрения, основной проблемой интернета вещей (IoT) является отсутствие единых стандартов безопасности.В условиях квантового поворота IoT представляет собой значительные риски в области кибербезопасности, для предотвращения которых требуются совместные усилия производителей и пользователей по разработке единого стандарта безопасности.

Современные наукоемкие технологии (Modern High Technologies)Jan 1, 20230 citations

REVIEW OF MODERN METHODS FOR EMULATION OF QUANTUM COMPUTING IN AUTOMATED PROCESS CONTROL SYSTEMS

S.Yu. Tyryshkin

Квантовые вычисления становятся трансформационной вычислительной парадигмой, способной революционизировать оптимизацию проектирования и автоматизацию в широком спектре научных и инженерных дисциплин.Однако для исследования и разработки квантовых вычислений требуются существенные объемы ресурсов, поэтому особое значение на сегодняшний день приобретают возможности имитации квантовых алгоритмов.Цель статьи заключается в проведении сравнительного анализа современных методов эмуляции квантовых вычислений в автоматизированных системах управления технологическим процессом.Методы исследования включают системный и сравнительно-аналитический подходы, а также методы моделирования и контент-анализа научных публикаций.Кроме того, применялись приемы теоретического обобщения и сравнительного анализа существующих подходов к эмуляции квантовых вычислений в автоматизированных системах управления технологическими процессами.В ходе исследования представлен критический анализ вычислительных подходов для решения NP-трудных задач в автоматизированных системах управления технологическим процессом.Детально описаны достоинства и недостатки, принципы работы, ограничения и область целесообразного применения таких методов, как матричная эмуляция (метод вектора состояния), эмуляция на основе тензорных сетей, моделирование на основе стабилизаторов (Клиффордовы схемы), гибридная эмуляция (вариационные алгоритмы), метод квантовых траекторий.Обобщены реальные примеры промышленной реализации квантовой эмуляции на основе материалов компаний -технологических лидеров отрасли.Полученные результаты позволили прийти к выводу, что доминирующими на сегодняшний день являются гибридные вариационные алгоритмы.В настоящее время они выступают в качестве стандарта для решения прикладных промышленных задач.Также наблюдается четкая специализация методов эмуляции по типу решаемых задач.

Современные наукоемкие технологии (Modern High Technologies)Jan 1, 20250 citations

Continuous-variable quantum information algorithms

Дьякова Оксана Евгеньевна, Diakova Oksana

В современном мире информация представляет собой один из наиболее ценных ресурсов, а информационные технологии стремительно развиваются. Наряду с классической теорией информации все большее значение приобретает квантовая теория информации, основанная на эффектах квантовой механики. К таким эффектам относится, например, квантовая запутанность, аналогов которой нет в классической механике. Однако в силу сравнительной новизны этой теории ее описание не является полным. На сегодняшний день существует сравнительно небольшое количество квантовых алгоритмов теории информации в дискретных переменных, и не все из них могут быть переведены в непрерывные переменные. Данная работа посвящена исследованию основ квантовой теории информации и изучению базовых дискретных алгоритмов данной теории, а также их аналогов в непрерывных переменных. Помимо этого, была рассмотрена возможность практической реализации квантовых вычислений. В работе рассмотрены такие алгоритмы, как квантовая телепортация, квантовое копирование, алгоритм поиска Гровера. Также были рассмотрены три базовых алгоритма машинного обучения, которые были недавно обобщены на непрерывные переменные, включая алгоритм инверсии матриц, поиск собственного значения и вычисление векторного расстояния.

Jan 1, 20170 citations

Квантовые технологии: от научных открытий к новым приложениям

Aleksey K. Fedorov

Квантовые технологии – одно из наиболее динамически развивающихся направлений. Квантовые технологии открывают новые возможности для целого ряда областей. За счет своих уникальных свойств квантовые системы могут стать основой нового поколения высокопроизводительных вычислительных устройств (квантовых компьютеров), методов защиты информации (с использованием квантовой криптографии), а также высокоточных измерительных устройств (квантовых сенсоров и квантовых метрологических устройств). Обзор посвящен прогрессу, наблюдаемому в основных сферах современных квантовых технологий: квантовой обработки информации, квантовой криптографии, а также квантовой метрологии и квантовой сенсорики.

Photonics RussiaOct 8, 20196 citations

Вопросы изучения квантовой запутанности студентами физических специальностей университетов

Б А Абдикамалов, Райгул Хoжаназарoва

Работа посвящена методике изучения явления квантовой запутанности в курсе квантовой механики для студентов специальности "физика". Показано, что студентам университетов важно знать о квантовой запутанности, являющейся ключевой частью квантовой механики, поскольку она необходима для понимания различных трактовок квантовой механики и будущих технологий, связанных с этой областью. Эксперименты, проведенные на интерферометре Маха-Цендера, являются одним из множества экспериментов, которые убедили физиков в том, что квантовая механика не может быть описана с точки зрения классической механики. В случае изучаемого явления фотон не следует по одной определенной траектории, а должен описываться в терминах квантовой суперпозиции множества траекторий. Предлагается изучение феномена квантовой запутанности после освоения таких тем, как постулаты квантовой механики, уравнение Шредингера, принцип суперпозиции, проблема измерения, а также после решения известных традиционных задач, касающихся квазиклассического случая. Эти темы создают необходимый фон и мотивацию для понимания концепции запутанности и её последствий для квантовых систем. В качестве экспериментальной техники предлагается демонстрация работы самого простого интерферометра Маха-Цендера, изготовленного фирмой LD Didactic GmbH. Для компьютерной демонстрации изучаемого явления используется система компьютерной алгебры Mathematica и продукты фирмы Wolfram. В результате этого становится возможным наглядно показать, что квантовые частицы могут находиться в состоянии суперпозиции, и, таким образом, используемый интерферометр является мощным инструментом для выявления фундаментальной природы квантовой механики.

Общество и инновацииJul 25, 20240 citations