Продуктивний місяць «квантового року»: відмовостійкість, злам RSA та практична масштабованість

ООН оголосила 2025 рік Міжнародним роком квантових технологій (IYQ2025). Червень цього року виявився насиченим: квантовий комп’ютер зламав шифр RSA, IBM окреслила шлях до відмовостійких машин із мільйонами квантових гейтів, квантові чипи вже зараз допомагають штучному інтелекту працювати точніше та ефективніше.

Розглянемо головні прориви минулого місяця, їх значення і ризики, до яких необхідно бути готовими вже зараз.

Прориви у стабільності та точності

Головний виклик на шляху до практичних квантових машин — це крихкість квантових станів та похибки. Довгий час здавалося, що повноцінна корекція помилок — справа далекого майбутнього. Однак у червні отримано результати, які подають надію.

Дослідники з Університету Осаки запропонували новий метод «нульового рівня» дистиляції магічних станів, який суттєво скорочує витрати для квантової корекції помилок. Команда показала, що можна підготувати логічний кубіт із високою вірогідністю правильного стану вже на фізичному рівні без традиційних багатоетапних протоколів дистиляції. Вимоги до числа кубітів та тривалості обчислень зменшено на порядки, а головне — значно знижено вплив квантового шуму.

Майже одночасно з’явився результат від дослідницької групи із Оксфордського університету: встановлено світовий рекорд точності одиночного квантового гейту. Фізики досягли показника помилки всього 0,000015% — тобто лише 1 збій на 6,7 мільйона операцій. Це майже на порядок краще за попередній рекорд 2014 року, який, належав тій самій команді.

«Наскільки нам відомо, це найточніша операція з кубітом, будь-коли зафіксована у світі. Це важливий крок до практичних квантових комп’ютерів, здатних вирішувати реальні задачі» — зазначив співавтор дослідження професор фізики Девід Лукас.

Для наочності дослідники жартують: ймовірність випадкової помилки гейта у них тепер менша, ніж шанс бути враженим блискавкою за рік (1 на 1,2 млн).

Результатів досягли це на іонній пастці з іоном кальцію, де замість лазерів використовували мікрохвилі. Експеримент працював за кімнатної температури без спеціального магнітного екранування.

Для реалізації квантової корекції помилок тепер потрібно менше фізичних кубітів — отже, квантовий комп’ютер може бути меншим і простішим.

Обидва результати — Осаки і Оксфорда — наближують технологію до порогу, коли квантова помилка буде скоригована швидше, ніж виникне нова.

В теорії відсоток помилок двокубітних гейтів нижче ~0,01% дозволяє масштабувати систему за допомогою квантової корекції. Оксфорд показав 0,000015% на однокубітній операції, а двокубітні в найкращих реалізаціях зараз демонструють ~0,05%.

Інфраструктура виходить з лабораторій

Одним з ключових викликів квантових комп’ютерів була масштабованість апаратної частини. 

Тут показовою є співпраця двох стартапів з Сіднею — Diraq та Emergence Quantum — які продемонстрували інтеграцію керуючої електроніки з самими квантовими чипами.

Звичайні комп’ютерні мікросхеми гріються і не можуть працювати на температурах, близьких до абсолютного нуля, потрібних квантовим чипам. Раніше виходом було тримати контролери окремо від кубітів, з’єднуючи їх метрами кабелів, що стоїть на заваді масштабованості. Австралійці показали, що електроніку можна розмістити безпосередньо поруч з кубітами на крихітному чипі без шкоди роботі. 

Diraq використовує підхід квантових точок у кремнії — кубіти на базі технологій, сумісних зі звичайними напівпровідниковими фабриками. Ще торік команда засновника Diraq професора Ендрю Дзюрака показала, що їхні кремнієві кубіти можуть стабільно працювати при 1 К (а не лише при 0,01 К), дещо послабивши суворі кріогенні вимоги.

З використанням кріонних CMOS-контролерів Emergence Quantum система може керувати великим масивом кубітів без гігантських ферм проводів. 

Технологічні гіганти також роблять ставку на квантову інфраструктуру. У червні IBM оновила свою дорожню карту розвитку квантових комп’ютерів із планами створити «перший у світі масштабований відмовостійкий квантовий комп’ютер» Quantum Starling до 2029 року. 

Серед заявлених параметрів — 200 логічних (коректованих) кубітів, на яких виконуватимуться ~100 мільйонів квантових гейтів, захищених від збоїв. Корекція помилок працюватиме в режимі реального часу за допомогою спеціального декодера на FPGA/ASIC, що ловитиме й виправлятиме збої на льоту. IBM використала новий код Bivariate Bicycle з низькою щільністю перевірок на парність, який дозволив скоротити потребу в надлишкових фізичних кубітах на 90%.

Квантові обчислення та ШІ

У червні команда з Віденського університету продемонструвала, як навіть невеликі квантові процесори здатні підвищити точність алгоритмів машинного навчання. 

Квантовий чип видав менше помилок на ряді задач, ніж класичний алгоритм. Причому досягнуто цього без залучення «великого» квантового комп’ютера — використано доступні на сьогодні фотонні процесори з обмеженою кількістю кубітів. Важливий фактор — фотонні чипи споживають значно менше енергії, ніж кремнієві ASIC/GPUs. 

Розвиток квантових фотонних платформ не лише прискорить ШІ, а й зробить його екологічнішим, вважають дослідники. Архітектурні рішення з квантової сфери можна навіть адаптувати для класичних обчислень, щоб підвищити продуктивність і знизити енергоспоживання традиційних процесорів.

Зворотній напрям взаємодії теж набирає обертів. Машинне навчання вже застосовують для оптимізації квантових алгоритмів, калібрування кубітів, виправлення помилок. У червні CEO Nvidia Дженсен Хуан оголосив про інтеграцію квантового софту Nvidia з їхніми новими суперчипами Grace для прискорення гібридних квантово-класичних задач. 

Загрози для криптографії

Прогрес у квантових обчисленнях має зворотній бік — небезпеку для сучасних криптосистем. У червні китайські дослідники використали квантовий комп’ютер D-Wave для факторизації 22-бітового числа за алгоритмом RSA. 

22-бітний RSA — це лише 6-значне число, яке легко зламати і класичними методами, тож практичної загрози тут немає. Втім це перший випадок, коли квантова машина виконала повний цикл зламу криптографічного алгоритму від початку до кінця. Попередні рекорди факторизації на квантових пристроях були обмежені 19-бітними числами. 

Замість стандартного підходу (пошук періоду функції із квантовим перетворенням Фур’є) китайські спеціалісти застосували метод квантової нормалізації, який дозволив шукати дільники напряму, без великих вимог до кількості кубітів. Втім цей метод все ще потребує експоненційних обчислень і маси повторів.

Експерти з кібербезпеки реагують однозначно: потрібно впроваджувати постквантову криптографію і робити це завчасно. Навіть якщо до зламу 2048-бітового RSA лишаються роки чи десятиліття, вразливими є дані що зберігатимуть актуальність через 20–30 років. Якщо зловмисники зараз перехоплять зашифрований трафік, то за 10 років квантові технології можуть дозволити його розшифрувати. 

У червні Європейський Союз оприлюднив дорожню карту переходу на постквантову криптографію. Відповідно до координаційного плану, всі країни-члени мають до кінця 2026 року розробити національні стратегії квантово-стійкого шифрування, а до 2030 року — перевести критичну інфраструктуру на нові алгоритми. 

Рекомендації NIS Cooperation Group, затверджені Єврокомісією 23 червня 2025 року, містять як першочергові кроки (підготовка кадрів, аудит уразливих систем, інвентаризація використаних криптографічних рішень), так і довгострокові етапи (повна міграція до ~2035 року).

Критично важливо почати захищати інформацію так, наче квантовий зламник вже існує. Криптографи радять готуватись до переходу на постквантові алгоритми і застосовувати гібридні підходи шифрування, аби навіть частковий злам не відкрив усіх даних.

Практика наздоганяє теорію

Дослідник Скотт Ааронсон у своєму блозі Shtetl-Optimized зауважив, що протягом останніх пари років перегони за створення стійкого квантового комп’ютера стартували «по-справжньому». 

Теоретики ще з 1990-х знали про потенціал алгоритмів Шора та Гровера, проте на практиці апаратне забезпечення відставало на десятиліття. Тепер же тенденція змінюється — практика наздоганяє теорію.