Готовимся к квантовому скачку

Клэр Наден, 7 октября 2024 г.

Квантовая информационная технология собирается преобразовать наш мир. Могут ли стандарты гарантировать, что она будет развиваться безопасным и ответственным образом? IEC и ISO объединяют усилия для разработки соответствующих документов.

 Квантовая информационная технология — один из следующих крупных технологических трендов, обещающий изменить мир как захватывающим, так и тревожным образом. Ее критическая ценность заключается в ее способности предлагать решения конкретных проблем, на решение которых нынешним цифровым суперкомпьютерам потребовались бы миллиарды лет. Еще одним плюсом является способность технологии эффективно удовлетворять потребность во все более интенсивной обработке данных, требуемой искусственным интеллектом (ИИ), виртуальной реальностью, блокчейном и криптовалютами.

Неудивительно, что рыночная стоимость квантовых вычислений — всего лишь одного из элементов квантовой технологии — к 2035 году, как ожидается, достигнет 1,3 триллиона долларов США. Сейчас идет гонка за то, чтобы технология могла процветать ответственным образом, и ожидается, что стандарты будут играть в этом важную роль.

Что такое квант?

Квантовая теория существует уже более 100 лет, и первая квантовая революция позволила создать такие изобретения, как лазер и транзистор, которые являются основными строительными блоками компьютеров. Сейчас мы находимся в середине того, что многие физики называют второй квантовой революцией, чтобы использовать квантовую механику для гораздо более практических и далеко идущих целей.

Современные квантовые технологии можно разделить на три основных направления:

• квантовая коммуникация, включающая процессы, в которых ключи шифрования создаются, передаются и принимаются с использованием кубитов очень безопасным способом;
• квантовые вычисления, которые включают использование фундаментальных свойств квантовой механики для решения конкретных задач, которые современные компьютеры не смогли бы решить, и
• квантовое зондирование и метрология, которые позволяют проводить сверхточные измерения на основе изменений свойств квантовых состояний, вызванных влиянием магнитных полей и гравитации

Квантовое обнаружение и моделирование

Квантовые датчики уже используются в медицинской сфере, поскольку они могут обнаруживать магнитные поля и другие элементы с невероятным разрешением и чувствительностью. Это означает наномасштабное обнаружение клеток и молекул, что обеспечивает огромный потенциал для научных исследований и открытия лекарств.

Квант также может быть использован для обеспечения гораздо более точной и надежной навигации, чем существующие системы GPS, и имеет потенциал для решения значительных глобальных проблем, таких как изменение климата, посредством моделирования в мировом масштабе. Это позволит улучшить прогнозирование погоды и моделирование климата, а также ускорить разработку и открытие новых форм производства и хранения энергии. В окружающей среде квантовые технологии могут быть использованы для обнаружения мельчайших изменений силы тяжести и, следовательно, плотности массы, что позволяет им точно определять материальные изменения или пустоты под землей, что в свою очередь может быть использовано для прогнозирования образования карстовых воронок и картирования сложных туннельных структур.

По данным Всемирного экономического форума ( ВЭФ ), правительства по всему миру вкладывают значительные средства в квантовые технологии, чтобы гарантировать, что они являются частью будущей квантовой экономики. Недавно они опубликовали Quantum Economy Blueprint, в котором заявляют о жизненно важной важности международного сотрудничества для обеспечения того, чтобы квантовая экономика добавляла ценность.

Но квантовой физике еще предстоит преодолеть некоторые трудности, прежде чем она действительно сможет взлететь. Одна из них заключается в том, что кубиты чувствительны к окружающей среде и склонны к ошибкам. Кроме того, многие квантовые устройства часто необходимо охлаждать почти до абсолютного нуля (-273,15 °C), чтобы они могли работать с очень высоким уровнем надежности, например, сверхпроводящие нанопроволочные однофотонные детекторы (SNSPD).

Работа над кибербезопасностью для квантовых

Еще одна проблема на горизонте — кибербезопасность. В то время как квантовое распределение ключей может обеспечить безопасную передачу конфиденциальных данных, квантовые вычисления также могут взломать многие из схем шифрования, которые в настоящее время используются, например, в банковских транзакциях, персональных данных и блокчейне, потенциально делая все криптовалюты бесполезными, например.

Вот почему необходимо начать думать о «постквантовой безопасности». Стандарты представляют собой ценную возможность помочь решить эту проблему и реализовать преимущества кванта без рисков. Большая работа уже ведется.

Например, совместный комитет ISO и IEC по кибербезопасности ISO/IEC JTC 1/SC 27, наиболее известный серией стандартов кибербезопасности ИТ ISO/IEC 27000, изучает способы разработки квантовой устойчивой криптографии.

Национальный институт стандартов и технологий США ( NIST ) недавно разработал национальные стандарты, которые определяют некоторые технические «схемы», предназначенные для противостояния будущим атакам квантовых компьютеров. Они включают в себя определенные схемы инкапсуляции ключей, которые могут использоваться для установления общего секретного ключа между двумя сторонами, общающимися по общедоступному каналу, а также схемы цифровой подписи, которые используются для обнаружения несанкционированных изменений данных и для аутентификации личности подписавшего.

Глобальный подход с международными стандартами

Международное сотрудничество необходимо для безопасного и этичного управления квантовым будущим и для того, чтобы технология могла раскрыть свой полный потенциал. Надежные структуры управления и руководящие принципы для ответственного развития кванта необходимы для того, чтобы реализовать преимущества кванта.

В проекте квантовой экономики ВЭФ подчеркивается необходимость международного сотрудничества и подчеркивается важность стандартов как «незаменимых инструментов, формирующих современный ландшафт различных секторов, способствующих инновациям и обеспечивающих надежность и совместимость систем». Ряд организаций по разработке стандартов, включая МЭК, уже работают над стандартами для квантовой экономики, а в 2021 и 2022 годах несколько основных участников стандартизации, включая МЭК, организовали серию симпозиумов для обсуждения того, где стандартизация будет наиболее полезной.

Новый совместный комитет IEC/ISO по квантовым технологиям

Доктор Ричард Питвон является экспертом в области квантовых технологий и экспертом-членом многих технических комитетов и подкомитетов IEC в этой области, в том числе в качестве председателя SC 86B "Волоконно-оптические соединительные устройства и пассивные компоненты". Он также является членом нового совместного технического комитета IEC/ISO по квантовым технологиям, IEC/ISO JTC 3.

Питвон утверждает, что стандарты не подавляют инновации, а могут помочь создать основу, на которой инновации могут процветать, если они выбраны правильно. «Мы все еще находимся на ранних стадиях квантовой технологии, и существует множество различных возможных путей ее развития, поэтому свобода инноваций жизненно важна. Но для того, чтобы квантовая технология развивалась, нам нужны способы ее тестирования. Мы также должны иметь возможность документировать передовой опыт и обеспечивать согласованность и совместимость, - объясняет он. - Именно здесь стандарты будут играть ключевую роль».

Целью недавно созданного JTC 3 является координация существующих усилий на глобальном уровне и их развитие с целью разработки международных стандартов в области квантовой метрологии, квантовых источников, квантовых детекторов, квантовых коммуникаций и других фундаментальных квантовых технологий.

Объединенный комитет уже разработал стандарт для терминов и словаря, связанных с квантовыми технологиями, ISO/IEC 4879, обеспечивающим общий язык, на котором могут передаваться концепции квантовых вычислений. Сейчас он работает над Дорожной картой стандартов, которая содержит всеобъемлющее введение в квантовую коммуникацию и описывает типы стандартов, которые необходимы и будут необходимы.

Хотя для того, чтобы квантовое обещание было действительно реализовано, могут потребоваться годы, большинство стран уже вовсю разрабатывают квантовые программы как из-за страха упустить что-то, так и из-за страха за национальную безопасность. Международные разработчики стандартов тоже в гуще событий, развиваясь по мере развития кванта, чтобы помочь нам всем перейти к ответственному квантовому будущему.

https://etech.iec.ch/issue/2024-05/getting-ready-for-the-quantum-leap

Подготовила Людмила Циновкина, специалист по менеджменту