Анализ международного рынка генераторов одиночных фотонов 

Главная --> Исследования LW-Analytics --> Рынки инновационных технологий --> Рынок квантовых компьютеров (рынок генераторов фотонов)

Рубрики

 

Аннотация маркетингового исследования
квантовых компьютеров

Настоящее маркетинговое исследование проводилось с целью
определения в мире и в России в частности перспектив применения
современных квантовых технологий, а именно: квантовых
компьютеров, квантовой криптографии и других направлений
деятельности. Основные выводы из данного исследования рынка
квантовых технологий легли в основу статьи А. Юшкова "Войны будущего: взятие квантового плацдарма", опубликованной в журнале "Арсенал: Военно-промышленное обозрение, 4, 2012", которую мы предлагаем вашему вниманию.

Возможна актуализация исследования рынка квантовых технологий на 2020 год.

Квантовая физика нашла свое применение в военной сфере уже достаточно давно: любому человеку на планете прекрасно известно об ужасающих возможностях ядерного и термоядерного оружия, способных уничтожить планету и все живущее на ней. Однако, достижениям в области исследования микромира находятся совсем и иные применения, казалось бы, весьма далекие от оружия массового уничтожения. И они не менее важны для обеспечения безопасности и обороноспособности современного мира. Речь пойдет о фотонике и связанных с нею технологиях, а также об исследованиях, которые уже ведутся в некоторых странах по этой теме.

Одиночные фотоны

Это небольшое и необходимое вступление просто для непосвященных (да простится автору эта наглость), так как не всем приходилось учить в институте физику. Мир квантовых частиц принципиально отличен от того мира, в котором мы привыкли жить. Элементарные частицы трудно поддаются локализации, как мы обычно локализуем предметы окружающего нас мира. Нам привычно и представляется вполне естественным более или менее точно знать все параметры интересующей нас системы. Например, не составит большого труда установить местоположение и скорость движения какого-нибудь тела (например, конкретного брошенного камня или даже ракеты) в любой момент времени, а возможно и точно предсказать его дальнейшее движение в пространстве, для этого достаточно произвести некоторые измерения.

В квантовом мире, все далеко не так. Так называемый Принцип неопределенности Гейзенберга, одно из базовых понятий квантовой механики, фактически запрещает одновременно точно измерить координату и импульс какой-то элементарной частицы (чем точнее мы знаем один параметр, тем у нас меньше информации о другом). Более того, сам процесс физического наблюдения над элементарными частицами исследователем привносит в состояние системы непредсказуемые изменения. Возвращаясь к нашему примеру с брошенным камнем или ракетой, это бы означало, что достаточно нам на них только лишь посмотреть, чтобы они под действием только нашего взгляда улетели бы совсем в иную сторону, причем так происходило бы всегда.

 

Одними из простейших элементарных частиц являются фотоны – именно из них состоит видимый нами свет. Благодаря их частоте, мы имеем возможность видеть и различать все окружающее нашими органами зрения: предметы, их цвета и т.д. Вся информация для наших глаз передается исключительно фотонами. Обычный луч света – это непрерывный поток фотонов. В случае, когда появляется возможность генерировать одиночные фотоны с заданными свойствами, открываются принципиально новые возможности, о которых ранее мечтать не приходилось.

Рынок квантовой криптографии

Современные методы криптографии, применяемые для
шифрования секретных сообщений, как правило, используют
технологии открытых и закрытых ключей. Это означает, что между
двумя адресатами происходит обмен некоторыми данными
(кодами) известными только им каналами связи (при этом каждый
из участников имеет только ему известную секретную часть кода),
после чего на основании компиляции секретной и открытой части
математическими методами формируется некий общий код,
которым в дальнейшем и шифруются все несущие секретную
информацию сообщения.

В случае, если секретный код передается электронными методами, радиосвязью или, например, в запечатанном пакете, то всегда существует какая-то ненулевая вероятность того, что эта секретная информация при очень большом желании может стать известной злоумышленнику (заинтересованному третьему лицу) или случайно стать доступной тому, кому она не предназначалась. Чтобы свести на нет любую возможность несанкционированного перехвата секретной информации, необходимо сделать так, чтобы физически это сообщение могло быть прочитано только один раз, и после самого факта прочтения было бы безнадежно утрачено.

Только квантовая криптография может решить эту задачу с вероятностью результата 100%. Действительно, в силу упомянутых выше принципов устройства мира элементарных частиц любое наблюдение за их состоянием непредсказуемо (и гарантированно!) изменяет состояние всей системы. Пересылаемое, например, по оптоволокну сообщение в виде порции из заранее особым образом поляризованных одиночных (это принципиально важно!) фотонов от абонента А к абоненту В может содержать осознанную информацию, при этом по замыслу создателей квантовой криптографии только пользователь В может единственный раз считать эту информацию, после чего посланная порция фотонов или просто аннигилирует (исчезает), или ее содержательный смысл безвозвратно теряется.

Получается, что если к линии связи тем или иным хитроумным способом пристроился некий злоумышленник С, то самим фактом считывания секретной информации он безвозвратно ее уничтожает, а законному абоненту В попадает бессмысленное сообщение. Сам факт несанкционированного доступа в систему передачи данных немедленно установить не составит никакого труда (для этого достаточно запустить не сложную процедуру обратной связи с абонентом А). Получается, что взломать подобную систему физически невозможно!

Такие системы уже существуют и широко внедряются в некоторых западных странах. По крайней мере, уже 3 компании заявили об успешном их коммерческом внедрении. Американская компания MagiQ, канадская D:Wave и швейцарская ID Quantique разработали и успешно внедряют данный продукт в ряде западных коммерческих банков и государственных системах передачи данных. Существует еще несколько проектов, пока не дошедших до коммерческого применения в Австралии, Японии (Toshiba) и некоторых других странах. Примечательно, что американская компания MagiQ работала над этим (и другими проектами) по заказу американского агентства по стратегическим исследованиям в области обороны DARPA, о чем мы еще поговорим в этой статье.

На сегодняшний день пока только одна компания в мире предлагает готовый коммерческий продукт – настоящий генератор одиночных фотонов света, это Quantum Communications Victoria Ltd, специально для этой цели созданная австралийская фирма при Университете Мельбурна, где ведутся исследования в области квантовой криптографии и физики элементарных частиц (работы и создание базы для производства коммерческого продукта были профинансированы за счет гранта правительства австралийского штата Виктория в размере около 2,6 млн. долларов США).

Однако о создании генераторов на одиночных фотонах (пока еще
без практической составляющей) уже сегодня заявили Институт
технологических исследований (Джорджия, США) – Georgia Institute
of Technology Research, Институт физики света Общества Макса
Планка (Германия), Национальный институт стандартов и
технологий (National Institute of Standards and Technologies – NIST ),
Калифорнийский университет в Сан-Диего (University of California),
Политехнический институт в Милане (Politecnico di Milano), Научное
и технологическое агентство Японии (Japan Science and Technology
Agency in Siatama) и некоторые другие научно-исследовательские
коллективы.

Это уже убедительно свидетельствует о большом внимании
оборонных ведомств ряда стран к технологии квантовой
криптографии, видимо не за горами тот день, когда эти методы
станут не только привычными, но и обязательными в
использовании различных военных систем, а также в банковском
деле и других отраслях, где требуется строжайшее соблюдение
конфиденциальности передаваемой информации.

Квантовый генератор случайных чисел

В математике последовательностью из случайных чисел называют специально сгенерированные некоторым алгоритмом числа, независимые друг от друга и подчиняющиеся в совокупности заданному равномерному распределению.

На практике эти числа применяются в различных электронных тотализаторах и компьютерных играх, однако это далеко не все. В ряде случаев, проведение различных жеребьевок и лотерей можно рассматривать как тоже вполне серьезную задачу, особенно тогда, когда честность их организаторов ставится под сомнение.

Но самой важной областью применения генераторов случайных чисел являются математические численные методы, так необходимые при разработке новых видов вооружений (гиперзвуковые летательные аппараты, газотурбинное двигателестроение, аэродинамика, высокоточные стрелковые комплексы различного назначения, ракетно-космическая техника и т.д.), что и является главным интересом для читателей нашего журнала.

Не всем известно, но с точки зрения современной математики стохастические (случайные) процессы и вопросы численного решения систем дифференциальных и интегральных уравнений (на чем, собственно, и построена расчетная часть всех разработок и исследований в области современной оборонной промышленности) тесно взаимосвязаны между собой. Математикам-вычислителям хорошо известен так называемый метод численного решения систем уравнений Монте-Карло, в основу которого положено применение случайных чисел. Кстати, сам метод, как бы это забавно не казалось, действительно назван в честь хорошо известного казино.

Проблема заключается в том, что все сегодня известные машинные методы генерации случайных чисел (есть такая функция даже и в Excel) некачественны: они рано или поздно зацикливаются. Эту проблему не решает даже включение в алгоритм генерации случайных чисел так называемой внешней энтропии (например, мгновенной частоты процессора компьютера, текущего значения время и т.п.). Поэтому задача генерации действительно качественных случайных чисел – это одна из пока не решенных проблем современной вычислительной техники.

Но, тем не менее, уже известны программно-аппаратные генераторы случайных чисел, основанные на применении квантовых методов. Дело в том, что учеными доказано, что события квантового мира непредсказуемы абсолютно. Действительно, философы и математики считают (хотя это пока и не было доказано аналитически), что все события окружающего человека мира можно описать системами дифференциальных или интегральных уравнений, а это значит, что зная начальные и граничные условия, можно предсказать заранее практически любое событие из окружающего нас мира. И совсем другое дело квантовый мир, где в принципе невозможно в силу его устройства предсказать конкретное событие в следующий момент времени. Поэтому привязка генератора случайных чисел к событиям микромира является вполне оправданной и логичной.

Уже упоминавшаяся нами швейцарская компания ID Quantique предлагает на коммерческом рынке специальные компьютерные девайсы – генераторы случайных чисел, основанные на квантовых методах, подключаемые, как вариант, через USB к обычному компьютеру, совместимые с большинством известнейших операционных систем и стоимостью от 990 до 2230 евро.

Именно с применением таких устройств будут создаваться и, видимо, уже кое-где разрабатываются гиперзвуковые летательные аппараты, ракетно-космические системы, газотурбинные двигатели и многое другое, что и принято называть современным высокотехнологичным вооружением.

Рынок квантовых компьютеров

Квантовый компьютер представляет собой вычислительное устройство, где информация представлена не в виде известными всем нам битами и производными от них байтами, мегабайтами и т.д., принимающих значения 0 или 1, а так называемыми кубитами, представляющего из себя суперпозицию всех возможных состояний системы, состоящих из тех же битов со значениями 0 и 1. Однако «объем» такой единицы информации может исчисляться
десятками тысяч возможных значений вместо двух возможных у так называемых битовых или привычных нам компьютеров всех типов.

Идея принципиальной возможности создания квантового
компьютера была высказана еще в 1980 году советским
математиком Юрием Маниным. Говоря простыми словами, суть
такого компьютера заключается в принципиальной возможности
эффективно «увидеть» одновременно все возможные состояния
какой-нибудь сложной системы и выбрать нужную комбинацию.
В то время когда обычная электронная вычислительная машина
вынуждена перебирать последовательно все возможные состояния
исследуемой системы, сверяя каждый раз полученный результат
с заданным эталоном, и тратя на этот цикл свое машинное время.

В качестве хрестоматийного примера, где это было бы полезно,
обычно приводится задача разложения больших натуральных
чисел на простые сомножители, так как пока не известен
универсальный алгоритм определения по заданному числу
простое оно или составное. Не доказан также факт
существования или отсутствия такого алгоритма.

Кому такие числа нужны и при чем здесь квантовый компьютер?
Оказывается, это касается практически абсолютно всех нас.
Широко известные платежные системы Visa, MasterCard и другие
используют для кодирования своих кредитных пластиковых
карточек алгоритм RSA, который основан как раз на задаче
разложения больших натуральных чисел на простые сомножители.

Современные вычислительные системы из-за не сколько
сложности, сколько трудоемкости подобных вычислений не могут
справиться с этой задачей в разумное время (это и гарантирует
надежность алгоритма защиты данных), а вот квантовый
компьютер сможет «вскрыть» алгоритм RSA быстро и без
особых задержек, так как скорость его вычислений не идет ни в
какое сравнение со всеми существующими ЭВМ.

Уже сегодня канадская компания D-Wave предлагает первую опытную модель квантового компьютера по цене около 1 миллиона долларов, способную проводить некоторые вычисления. Считается, что промышленные квантовые компьютеры станут достоянием рынка уже где-то через 10 лет. К тому времени понадобится полная революция и в вопросах защиты информации не только в отрасли пластиковых карт, но и в финансово-банковском секторе тоже, а это уже вопрос безопасности любого современного государства.

В гостях у DARPA

Агентство по передовым оборонным научно-техническим разработкам (США) давно занимается задачей создания устройств генерации одиночных фотонов, именно этот девайс лежит в основе квантовой криптографии, квантовых генераторов случайных чисел и уже тем более квантовых компьютеров. Точные суммы финансирования точно не известны, но некоторые упомянутые в этой статье компании уже получали от DARPA исследовательские гранты на сумму до 10 миллионов долларов США.

 

Можно только приветствовать инициативу нашего заместителя Председателя Правительства РФ Дмитрия Рогозина по созданию в России аналога этого американского агентства. Всем известно, что к настоящему времени закон о Фонде перспективных исследований одобрен в первом чтении Государственной Думой РФ, хотя на текущий момент и не ясны многие вопросы с финансированием этого фонда, его ведомственной принадлежностью и т.д. Однако, лучше поздно, чем никогда. Между тем, не многие знают, что в тех же США подобные DARPA фонды имеются не только у министерства обороны, но и у министерства торговли и других ведомств. Да и у самих американских военных такой фонд не единственный. Вопросы квантовой криптографии и создания источника одиночных фотонов отдельно от DARPA финансируется Службой научных исследований ВВС (!) США (Air Force Office of Scientific Research – AFOSR). Увы, российским исследователям и разработчикам не приходится даже и мечтать, что обычный род войск, например, ВВС России смогут финансировать те или иные оборонные исследования.

Хотя, почему бы и не подумать об этом в перспективе? Кому как не нашим славным авиаторам или морякам лучше знать, какие прорывные технологии будут востребованы лет через 5-10?

Что происходит с разработками в области квантовых технологий в России? Оказывается, слухи о смерти нашей отечественной фундаментальной науки сильно преувеличены.

Подобные вышеперечисленным технологиям разработки ведутся и у нас, например, в Физическом институте имени П.Н. Лебедева РАН или в Институте физики полупроводников имени А.В. Ржанова СО РАН. Особенно радует, что есть еще несколько инициативных групп ученых, разрабатывающих данные технологии самостоятельно и на свой страх и риск. Вот только дело с финансированием, как всегда, обстоит неблестяще.

Источников финансирования фундаментальной науки в России существует не так уж и много. Бюджет РАН и Российский фонд фундаментальных исследований (РФФИ) при первом же удобном случае регулярно подвергаются малоприятной для исследователей процедуре секвестирования. Прославленные фонды Сколково или Роснано, к сожалению, тоже не всегда подходят для финансирования прорывных оборонных технологий, так как в их основополагающих документах явно записана цель коммерциализации полученного продукта, а обеспечить это в короткий срок (1-5 лет) не всегда бывает возможно. Вместе с тем, очевидно, что развитие прорывных технологий, подобно источникам одиночных фотонов крайне важно для сохранения и развития обороноспособности и безопасности страны. Нашей безопасности и нашей страны.

Принцип неопределенности был открыт лауреатом Нобелевской премии
Вернером фон Гейзенбергом в 1927 году

Несмотря на то, что квантовая криптография как отрасль прикладной науки еще относительно молодая дисциплина, уже нашлись желающие и такую систему «взломать».
некое сообщество «квантовых хакеров» уже выбрало себе эмблему, где вместо привычных черепа и костей используется оператор квантовой механики

Чисто математические, казалось бы, далекие от практического применения задачи, оказывается, могут иметь существенную финансовую составляющую. Фонд Электронных рубежей (Electronic Frontier Foundation – EFF) – некоммерческая организация из США - установил премии в размере от 150 до 250 тысяч (!) долларов за каждое новое открытое простое число натурального ряда. однако, желающих быстрого обогащения, надеющихся как-нибудь воскресным вечером посидеть на досуге с калькулятором, спешим огорчить: «халявы» не будет. Для получения приза нужно открыть числа, превышающие 100 000 000 цифр. Для этого, располагая даже самыми современными компьютерными технологиями, может понадобиться время, сопоставимое с возрастом Вселенной.

Есть вопросы?

Позвоните:  + 7 915 347-87-44, +7 910 433-83-07, +7 499 909-33-03

НАПИШИТЕ
или заполните форму обратной связи:

Не забудьте подписаться на нас в соцсетях:

  • Instagram
  • Facebook
  • YouTube
  • Pinterest Социальная Иконка

Заполняя форму, Вы даете согласие на обработку своих персональных данных

 

© 2018 - 2020 LW-Analytics (ИП Юшков А.Ю. ИНН 772800665770). г. Москва

Внимание! Все размещенные на этом сайте работы не являются публичной офертой, а предназначены только для демонстрации нашего опыта и возможностей решения подобных задач в прошлом. Наша компания не несет никакой ответственности за пользование устаревшей информацией. Для получения актуальных сведений необходимо заказать новое исследование рынка.

Используемые для иллюстраций фото и видео изображения взяты из открытых источников.

При копировании с сайта материалов обязательна ссылка на источник с действующей ссылкой на сайт https://www.lw-analytics.com.