На главную страницу AlgoNet В сотрудничестве с ZDNet
АРХИВ СТАТЕЙ 2000-11-27 на главную / новости от 2000-11-27
AlgoNet.ru
поиск

 

Место для Вашей рекламы!

 

Все новости от 27 ноября 2000 г.

Квантовый скачок

Физик Джонатан Доулинг (Jonathan Dowling) из Института реактивного движения при NASA знал, что его исследованием рано или поздно заинтересуются, но не представлял, в какой степени, пока к нему не обратились представители разведслужбы. Это произошло в начале года, когда Доулинг и его коллеги нашли способ использования механизмов квантовой физики для прецизионной синхронизации двух часов. Узнав о разговоре с представителем Агентства национальной безопасности (NSA), проявившим интерес к результатам этой работы, один из сотрудников лаборатории в шутку отправил своему начальнику e-mail с предложением выставить эти результаты на аукцион eBay. Доулинг, недолго думая, форварднул этот e-mail парню из NSA. На следующий же день позвонил незнакомец из Национального управления аэрофотосъемки (National Reconnaissance Office, NRO) при Министерстве обороны и предложил Доулингу финансировать его исследования, сославшись на потенциальную ценность их результатов для спутниковой разведки.

Этот случай говорит о растущем интересе разведслужб ко всему, что относится к квантам. Квантовые вычисления, квантовая криптография, а теперь и квантовая синхронизация часов — все это футуристические технологии, далекие от практического воплощения. Несмотря на это, оборонные и разведывательные ведомства не жалеют денег на их финансирование.

Квантовая теория информации, к которой относятся все эти исследования, имеет дело со странными физическими свойствами микрочастиц. Эти свойства пока трудно использовать на практике, но они создают новые возможности для хранения, обработки и защиты информации. «Новая идея заключается в том, что информация не абстрактный предмет, — поясняет профессор Калифорнийского университета в Беркли Юмеш Вазирани (Umesh Vazirani). — Она каким-то образом материализуется на квантовом уровне и обладает некоторыми фантастическими свойствами».

Квантовая теория информации впервые привлекла внимание американских спецслужб шесть лет назад, когда научный сотрудник AT&T Питер Шор (Peter Shor) продемонстрировал возможность квантового компьютера взламывать шифры, защищающие информацию в сетях. Так как алгоритм Шора угрожает существующим методам шифрования, появилась потребность в поиске защиты от него. Квантовая криптография и положила начало современного бума исследований в области квантовой теории информации. Квантовая синхронизация часов — еще одно приложение этой теории, которое привлекло внимание разведслужб. Доулинг опубликовал результаты своих исследований в сентябре; примерно в то же время появилась аналогичная публикация группы исследователей из IBM.

Недавно DARPA, главное научное ведомство Министерства обороны, выделило 100 млн $ на пятилетнюю программу Quantum Information Science and Technology (QuIST). Эти деньги — небольшая, но весомая часть годового бюджета DARPA в 2 млрд $ — пойдут на исследовательские проекты, проводимые в университетах, научных организациях и компаниях. В октябре DARPA провела в Вашингтоне семинар для ученых, претендующих на фонды QuIST. На этом мероприятии, которое его организаторы называют «очень необычным примером открытости», различные ведомства Минобороны подчеркивали важность квантовой информационной технологии для национальных интересов. Затем некоторые агентства выразили заинтересованность в исследованиях по конкретным направлениям.

На шаг впереди
На семинаре Генри Иверитт (Henry Everitt) из армейского научного управления отметил, что США сохраняют технологическое лидерство, опережая все другие страны. Многие исследования имеют стратегическое значение и проводятся в обстановке секретности. Но QuIST, как и большинство других фундаментальных научных программ DARPA, будет финансировать исследования, результаты которых должны открыто публиковаться участниками программы во всем мире. Заявки на финансирование по программе QuIST подали некоторые университеты Канады и Европы.

«Задача DARPA не в том, чтобы проводить сверхсекретные исследования, а в том, чтобы исключить „технологические сюрпризы”», — поясняет директор DARPA по информационным технологиям Шанкар Састри (Shankar Sastry). По его словам, агентство было создано после того, как русские запустили Sputnik — это событие шокировало сообщество американских ученых, так как никто не представлял себе, как далеко зашла российская космическая программа.

Оставаясь частью более широкой научной среды, DARPA пристально следит за ходом исследований в разных областях и привлекает внимание лучших ученых к тем проблемам, которые особенно важны для Минобороны. Ученые, работа которых спонсируется DARPA, регулярно отчитываются перед организацией и участвуют в ее конференциях.

В частности, задачей DARPA является финансирование проектов с высоким риском. Многие проекты стратегической важности могли бы не привлечь внимание других агентств, таких как Национальный фонд науки (NSF), который выделяет средства на перспективные проекты и старается избегать путей с малыми шансами на успех. К тому же у NSF гораздо меньше денег, чем у DARPA, фонды которого расходуются на небольшое число очень дорогих проектов. «Общий подход DARPA — выбрать умеренное количество лидеров и предоставить им крупные ресурсы, позволяющие нанять необходимый персонал», — поясняет Састри.

Квантовая теория информации определенно относится к исследованиям с высокой степенью риска. Все ее поразительные результаты — чисто теоретические. Большинство ученых сходится во мнении, что реальные устройства, если они вообще возможны, появятся очень нескоро. Несколько групп исследователей создали крошечные квантовые компьютеры, способные хранить всего несколько битов, и разработали протоколы для квантовой криптографии, позволяющие передавать ключи шифрования на короткие расстояния. Но пока нет уверенности в том, что какой-то из предложенных подходов способен привести к появлению реальных устройств.

И все же правительство возлагает на эту технологию большие надежды и готово выделить на исследования в этой области огромные ресурсы. «Ставки слишком высоки, и инвестировать разработки стоит, — говорит Састри. — На карту поставлена безопасность всего интернета». Неудивительно, что представители разведслужб хотели бы, чтобы больше исследований в области квантовой теории было посвящено расшифровке существующих кодов и созданию новых. Более общая задача, которую ставят руководители DARPA, — лучше разобраться в том, на что квантовые компьютеры способны, а на что — нет.

Квантовые компьютеры хранят информацию, используя в качестве битов состояние элементарных частиц. Например, согласно классической теории спин атомного ядра может быть направлен вверх или вниз. Но по странным законам квантовой механики состояние ядра описывается не четким направлением вверх/вниз, а взвешенным сочетанием того и другого одновременно, то есть квантовые состояния причудливым образом как бы парят между двумя возможными реальными состояниями.

Ученых интригует тот факт, что по мере увеличения числа квантовых битов объем информации, требуемый для описания системы, растет экспоненциально. Если бы каждое атомное ядро имело всего два состояния, система из 500 ядер могла бы принимать 2^500 разных состояний. Но, согласно квантовой теории, такая система в любой момент времени представляет собой суперпозицию всех этих 2^500 возможных состояний сразу, а это сложнее любой классической системы, какую только можно вообразить. Так как 2^500 — гигантское число, значительно превышающее оцениваемое количество частиц во Вселенной, ученые задаются вопросом, каким образом Вселенной удается, тем не менее, управлять происходящими в ней естественными процессами. Но тот факт, что это все же удается, дает надежду на существование гигантских ресурсов для хранения информации.

Однако для большинства задач квантовые компьютеры не обещают повышения производительности по сравнению с обычными. Ученые смогли предложить специальные алгоритмы, использующие квантовые свойства материи для экспоненциального ускорения вычислений, лишь для отдельных случаев. Одним из примеров служит алгоритм Шора для поиска простых делителей больших чисел — у существующих компьютеров на решение этой задачи могут уйти годы, тогда как квантовый компьютер справился бы с ней в считанные минуты. В основе многих алгоритмов шифрования лежит сложность разложения больших чисел на простые множители. Пока алгоритм Шора — единственный квантовый алгоритм, имеющий практическое значение. Но представители DARPA на семинаре QuIST сказали, что они готовы финансировать проекты по поиску новых квантовых алгоритмов или определению пределов возможностей квантовых компьютеров. Пока ни один из построенных квантовых компьютеров не доведен до размеров применимого на практике устройства.

Шпионы-напарники
Квантовая криптография, как и квантовые вычисления, использует методы квантовой физики — в данном случае для защищенной передачи информации по оптоволоконным кабелям или через эфир. Но здесь используется другой закон квантовой физики, который гласит, что «наблюдать» квантовую систему, не влияя на происходящие в ней процессы, невозможно. Поэтому если секретная информация передается квантовыми методами, то посягательства на ее секретность легко обнаружить. Эта возможность — точно знать, что информация доставлена нетронутой, — и привлекает NSA. Сейчас квантово-криптографические сигналы можно передавать по оптоволоконным кабелям или через эфир на расстояние в десятки миль. Требуются методы ретрансляции этих сигналов — без искажения и так, чтобы не казалось, что их кто-то перехватил.

Квантовая синхронизация часов позволяет сделать так, чтобы пара удаленных друг от друга атомных часов тикала как одни часы. Здесь используются методы, аналогичные методам квантовой криптографии. Представители NRO намекнули, что синхронизация часов применяется в спутниках-шпионах, но в подробности вдаваться не стали. Однако Доулинг пояснил, что этот метод может быть полезным для калибровки сигналов, поступающих от двух разведывательных спутников, и для систем глобального позиционирования.

Спутники-шпионы собирают информацию об объектах, облучая их радиоволнами. Обычно два спутника направляют лучи под разными углами. Отраженные сигналы вычитаются друг из друга, и их разность дает подробную информацию о форме объекта. Чтобы этот метод работал точно, лучи обоих спутников должны быть синхронизированы. Системы глобального позиционирования также используют информацию от двух спутников, находящихся на определенном расстоянии друг от друга. Существующие методы синхронизации этих систем приводят к ошибке в несколько метров.

Еще одна важная область применения для синхронизации часов, по словам Састри, это ускорение маршрутизации данных в интернете. В настоящее время данные, переносимые световыми лучами по оптоволоконным кабелям, приходится преобразовывать в более медленные электронные сигналы. Но с переходом к полностью оптическому интернету, в котором пропускная способность маршрутизаторов будет гораздо выше, потребуется более точная синхронизация работы маршрутизаторов.

Все эти направления разработок пока далеки от практического применения, но они показывают, как квантовая теория может изменить способ обработки информации. Поэтому неудивительно, что разведывательные службы считают инвестиции в эти разработки делом стоящим.

 В продолжение темы:
2001-12-20   Очередной квантовый скачок IBM
Обсуждение и комментарии
A
27 Nov 2000 11:38 AM
система глобального позиционирования GPS
-->
http://ixbt.stack.net/mobile/gps.html
 

Игорь
27 Nov 2000 2:04 PM
Вот две цитаты из этой статьи:
1. "Спутники-шпионы собирают информацию об объектах, облучая их светом."
2. "В настоящее время данные, переносимые световыми лучами по оптоволоконным кабелям, приходится преобразовывать в более медленные электронные сигналы."

Если весь остальной текст соответствует, то достоверность изложенной в нем информации стремится к нулю.
 

Вася
27 Nov 2000 2:43 PM
"Квантовый заскок" в мозгах Сары Робинсон ,проще говоря - популяризация туфты .
 

HeNe
27 Nov 2000 3:13 PM
1. Неточный перевод - не светом, радиоволнами, хотя сути это не меняет. Спутники, бывает, имеют активные радары... Идея состоит в том, чтобы облучить объект когерентными источниками с двух точек и получить интерференционную картинку с точной инфой о высотах и расстояниях...

2. Оптика действительно гораздо быстрее электроники. Тот, кто думает, что сигналы в проводах бегают со скоростью света, сильно ошибается. Фишка - в емкостях: в современной схеме (или камешке) любой проводник имеет ненулевую емкость и сопротивление, следовательно, уровень сигнала на "том конце" нарастает далеко не мгновенно (с какой скоростью - зависит от тока: чем больше ток, тем быстрее, но тем больше и потребление/рассеянное тепло).

А изложено в статье все, в общем-то, верно, хоть и *жутко* упрощенно, отчего и создается "ощущение лапши" :). Есть ошибочки по мелочам: например, почему-то утверждается, что единственный практически применимый квантовый алгоритм - вычисление дискретного логарифма... Вот тут они действительно загнули, взять хотя бы поиск соответствий в базах, просто быстрый поиск... Много экпотенциально сложных задач вырождаются в полиномиально или логарифмически сложные.
 

HeNe
27 Nov 2000 3:20 PM
Вась, рекомендую не читать туфту, а читать хорошие книги. Хорошие книги - рулез, популяризация - сакс. :) "Квантовая механика" любой нормальный вводный курс и "Введение в квантовые вычисления" Гордона...
 

Agent Malder ^ 007 - dim2ryahoo.com
28 Nov 2000 7:48 AM
Ребята, а кто видел этот алгоритм Шора? Есть ссылки ? Ответте по емайлу если знаете

Agent Malder ^ 007
 

Gregory - designrnd.ru
28 Nov 2000 8:51 AM
Какой нахрен алгоритм!?
Суммы выделяемые на исследования в штатах говорят
о том в какой заднице находится вся наша наука и страна! Скоро штаты будут водить остальной мир на поводке, как барашка...
 

Алекс
28 Nov 2000 8:58 PM
HeNe,
скажи, что значит "многие экспоненциально сложные задачи за полиномиальное время" ? может ли квантовый компьютер решить любую NP-полную задачу типа "коммивояжера" за полиномиальное время ?
 

АлКом - ankurusnetscape.net
30 Nov 2000 7:40 PM
Gregory, не скоро, а очень скоро. Во всяком случае, коллективное Ме-е с 1/6 суши и прилегающих территорий (особенно слева по карте) говорят о многом.
А ведь не зря усастики зашевелились, как почитаешь из рекомендованного - хочется тихо сесть в уголочке и скромно вспоминать школьные и институтские годы - каким же лапшесборником был. Грустно.
 

HeNe
1 Dec 2000 1:22 PM
2 Алекс.

Любую - нет. Но и то, что есть - очень прилично. Основное принципиальное отличие от обычного компа в том, что кубит умеет хранить аналоговые состояния, промежуточные между 0 и 1, кубит можно представить единичным вектором крутящимся по плоскости, где оси - "вероятность единицы" и вероятность нуля" (правда выцеплять вероятности оттуда в виде конкретных цифирь довольно сложно, но это отдельная заморочка). И второе: некое внешнее насилие над отдельным кубитом изменяет волновую функцию *всей* системы, а значит - все связанные кубиты - два. Выгоду можешь оценить: если для одного кубита пространство состояний двухмерно, то для трех - уже восьмимерно, тривиальный комп из 32(!) атомов за одну операцию может поворачивать вектор в 4294967296-мерном фазовом пространстве. Короче говоря, если удастся запустить комп из 10-11 атомов в нормальную работу, ну, скажем, на частоте в 0.1 мегагерц, то на определенных операциях он будет быстрее *любого* суперкомпа. Задача только в том, чтобы перевести алгоритмы под эту его возможность...

А насчет "коммивояжера" - по ходу, однозначно квантового алгоритма нет...

2 Алком, Gregory

Странно как-то. Как наличие финансирования может сказаться на конкретно *вашей* способности думать? Для разработки алгоритмов вообще ничего не нужно - ручка, бумага, голова... Кроме того, вам недавно денежек в науку подкинули. Может еще так выйти, что мы на ваши гранты пересаживаться будем.

Да и вообще, при чем тут америкосы?.. Америкосы платят деньги, делают - норгвеги, скажем, но результат-то заюзают все. Математику очень сложно засекречивать. Технологию - можно, а общего вида результаты (самое ценное) - ну, не знаю... Не верю.
 

HeNe
1 Dec 2000 1:23 PM
2 Алекс.

Любую - нет. Но и то, что есть - очень прилично. Основное принципиальное отличие от обычного компа в том, что кубит умеет хранить аналоговые состояния, промежуточные между 0 и 1, кубит можно представить единичным вектором крутящимся по плоскости, где оси - "вероятность единицы" и вероятность нуля" (правда выцеплять вероятности оттуда в виде конкретных цифирь довольно сложно, но это отдельная заморочка). И второе: некое внешнее насилие над отдельным кубитом изменяет волновую функцию *всей* системы, а значит - все связанные кубиты - два. Выгоду можешь оценить: если для одного кубита пространство состояний двухмерно, то для трех - уже восьмимерно, тривиальный комп из 32(!) атомов за одну операцию может поворачивать вектор в 4294967296-мерном фазовом пространстве. Короче говоря, если удастся запустить комп из 10-11 атомов в нормальную работу, ну, скажем, на частоте в 0.1 мегагерц, то на определенных операциях он будет быстрее *любого* суперкомпа. Задача только в том, чтобы перевести алгоритмы под эту его возможность...

А насчет "коммивояжера" - по ходу, однозначно квантового алгоритма нет...
 

HeNe
1 Dec 2000 1:24 PM
2 Алекс.

Любую - нет. Но и то, что есть - очень прилично. Основное принципиальное отличие от обычного компа в том, что кубит умеет хранить аналоговые состояния, промежуточные между 0 и 1, кубит можно представить единичным вектором крутящимся по плоскости, где оси - "вероятность единицы" и вероятность нуля" (правда выцеплять вероятности оттуда в виде конкретных цифирь довольно сложно, но это отдельная заморочка). И второе: некое внешнее насилие над отдельным кубитом изменяет волновую функцию *всей* системы, а значит - все...
 

HeNe
1 Dec 2000 1:25 PM
Ну ни хрена ж себе глюк. :)))
Извиняюсь, не хотел.
 

 

← октябрь 2000 20  21  22  23  24  27  28  29  30 декабрь 2000 →
Реклама!
 

 

Место для Вашей рекламы!