量子コンピューターに関する最初の記事に続いて、私は今、量子ネットワークの同様に素晴らしく挑戦的な世界を探求し、説明しようとしています。量子コンピューティングには量子ネットワークがあり、そのための最高の技術は光ファイバーです。量子コンピューターは絶対的な魔法に近いものですが、通信するにはネットワークが必要であり、ほとんどの場合、銅線については検討していません。光ファイバーは重要ですが、小さな小さな光子をすべて単独で送信することには奇妙な課題があります。そして、将来がすべて量子的に見えるとしても、何年にもわたって並行して動作する古い技術がまだたくさんあることは間違いありません。したがって、それらすべてが共存し、安全を維持できるようにすることは、システム管理者にとって大きな課題の1つです。
私たちが知っているインターネット
10代の頃、私と友達の何人かは交換留学生としてアメリカに行きました。私たちは英語のスキルを向上させましたが、母国語であるスウェーデン語に切り替えることで、自分たちの間でプライベートにコミュニケーションをとることができるという便利さにも気づきました。私たちは公共の場所であらゆる種類のゴミを話すことができました、そして誰も理解しませんでした。それは、ある日まで、年配の女性が厳しい目で私たちを見て、私たちが自分自身を恥じて、私たちの言語を気にかけるべきだと完璧なスウェーデン語で私たちに言ったということでした。顔を赤らめ、本当にばかげていると感じて、私たちは謝罪をつぶやき、すぐに退出しました。
インターネットは、ほとんどの場合、プライベートで安全な会話ができるという点で似ています。ただし、その通信が傍受されるリスクは常にあります。情報が盗まれたり歪んだりする可能性があるため、特に注目度の高い情報や価値の高い情報を扱う場合は、セキュリティチームが脆弱性の兆候で全員の首を絞めている理由はたくさんあります。
私たちが知っているように、インターネットは私たちの会話と私たちが生成するすべてのデータを保護するための安全プロトコルと暗号化アルゴリズムでいっぱいです。しかし、悪の勢力全体では、彼らが私たちの貴重な情報を解読、盗み、コピー、改ざん、またはその他の方法で利用することに成功するリスクが常にあります。破壊できない場合は、あらゆる種類の創造的なマルウェアや攻撃を解き放ち、通信リンクを氾濫させることで阻止できます。
量子コンピューターの通信方法は異なります。
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量子もつれネットワーク
量子もつれとは、接続された2つのパーティクルが異なる場所に配置され、送信側が1つの部分を持ち、受信側がもう1つの部分を持っている場合です。絡み合った粒子は、他の絡み合った粒子の反対の位置を同時に採用します。このようにして、相手が何をしているのかがすぐにわかります。奇妙なことに、この段階では、傍受する通信がありません。
ブリストル大学では、国際的な科学者のチームが量子ネットワークを作成しました。このネットワークを拡張すると、「何百万ものユーザーにサービスを提供できる可能性があります」。これは非常に野心的なことのように聞こえますが、これまで（この記事が書かれたとき）、量子もつれネットワークはほとんど2つのノードで構成されていたため、かなり大きな問題です。より多くのノードでそれらを拡張することは容易ではありません。それは、多くの高価なコンポーネントを必要とし、それが今度はかなりの財政的支援を必要とするからです。ブリストルチームは、8つのノードを備え、8つのレシーバーボックスを使用する量子ネットワークを作成しました。
以前の方法では8つのノードを処理するために56のボックスが必要であったことを考えると、これは大きな進歩です。また、既存のテクノロジーを使用しているという事実はさらに優れていますが、課題はまだ距離です。これについては後で説明します。
さようなら、銅
量子ネットワークの情報は光ファイバーで転送することができますが、もちろん、その情報はたくさんあり、さらに多くの情報が展開されているため、非常に優れています。光ファイバーに沿って移動する量子状態の光子は干渉に非常に敏感です。つまり、量子状態は簡単に失われます。光子は非常に小さくて弱いため、ある程度の距離を置くと、光ファイバーケーブルに吸収されます。この課題に取り組む方法については多くの研究があり、進歩が見られますが、これまでのところ、絶対零度付近の温度でのみです。
電力を消費しません
私はすでに量子コンピューターについて書いたが、それらは大きくてかさばり、そしてたくさんのエネルギーを消費すると言った。問題は、量子物理学が始まるのに必要な特別な状況を作り出すためにエネルギーが必要であるということです。これには、真空、絶対零度に近い温度、干渉のない環境などが含まれます。 「量子化」を行う実際の光子と電子は、ごくわずかな電力しか必要としないため、量子状態が室温で確実に動作できるようになると、エネルギーをほとんど必要としないはるかに小さなコンピューターが表示される可能性があります。
クォンタムリピーター
すでに述べたように、現在の光ファイバーネットワークには、送信された光子を吸収するという厄介なコツがあり、これはわずか数キロメートル以内で起こります。重要なのは、量子もつれが非常に壊れやすい状態であり、維持するのが難しいということです。光子の1つとその周囲にあるものとの間の最小の妨害または相互作用でさえ、リンクを切断します。リピーターに入ります。ただし、現在のリピーターには制限と脆弱性があり、スケールアップを開始すると維持が複雑になります。
バトンを渡す
量子リピーターは、到着する光子の量子特性を測定します。次に、リピーターは量子特性を新しい光子に転送し、次のレグに送ります。毎秒100,000フォトンが発生する可能性があることを考えると、リピーターは忙しい場所になります。
このリレープロセスにより、エンタングルメントをはるかに長い距離に伝播することが可能になりますが、私の単純な世界では、正しい量子特性が確実に転送されるようにするにはどうすればよいのでしょうか。おそらく、これは量子もつれによってソートされており、受信者はすでに何を期待するかを知っています。
これをスケールに合わせると、深刻な監視が必要になります。エラーを追跡するだけでなく、エラーを修正することもできます。量子物理学とその特性に特化した数学の分野は絶えず進歩しています。実際、非常に進歩があり、研究論文を読むのをやめなければなりません。さもないと、この記事を終わらせることはできません。それが、この分野で物事がどれほど速く動いているかです。
距離のある量子
横浜国立大学の科学チームは、光子を絡ませるための新しい方法を開発し、光ファイバーを介して10キロメートルを超えるこれらの光子を送信することに成功しました。彼らはまた、単一のリピーターを使用し、そうすることで、合計20キロメートルの距離を達成しました。
この記事を書いている時点で、量子もつれを維持することができた最も遠い距離は83.7キロメートルで、今年は米国エネルギー省のアルゴンヌ国立研究所とシカゴ大学の科学者によって達成されました。しかし、近い将来、その記録が何度も破られることになると確信しています。
秘密を守る
量子ネットワークを介して輸送される量子ビットは、「観察者効果」と呼ばれる非常に特殊で独特な特性を持っています。これは、それらが中断することが不可能であることを意味し、これは量子力学の仕組みの一部です。観察者効果とは、光子がネットワークに沿って移動するときに光子を監視しようとすると、光子が変更されるだけでなく、実際に破壊されることを意味します。
これは、意図された受信者が途中で盗聴の試みがあったかどうかをすぐに知ることを意味します。 *現在、この現象は量子力学の固有の特性であるため、回避する方法はありません。したがって、政府、医療会社、および金融機関が明白に関心を持っているのは当然のことです。
*この分野の研究は非常に速い速度で進んでいるので、これを読む前に科学者がこの固有の特性を回避する方法を見つけても驚かないでしょう。
暗号化された量子ネットワーク
それで、あなたはどれくらい安全を得ることができますか？どうやら、十分ではありません。量子暗号の分野は活況を呈しており、量子鍵配送（QKD）の技術を使用することにより、送信者と受信者の間の情報を暗号化および復号化することが可能です。キュービットは、目的地に到着して初めて読み取ることができ、ロックを解除するための正しい量子鍵を持っているため、盗聴する必要はありません。
宇宙の量子ノード？
今では、量子物理学は干渉なしで、非常に寒い真空中で最もよく機能することを知っています。これにより、地球の近くの空間の一部が非常に適したものになります。ここ地球上で量子コンピューターが必要とする力は、主に宇宙が豊富に提供する特別な条件を作り出すために使われます。量子ビット自体は動作するために絶対に小さな力を必要とするので、科学者は衛星の量子コンピューターを互いに絡み合わせる機会を検討しています。これにより、問題が地球から送信され、宇宙で処理され、答えが返されます。地球へ。衛星は絡み合った光子を地球に送り返します—それはどれほどクールなことでしょう。
これは私が完全に私のヒンジから外れているわけではありません。このアイデアは、実際にはバトンルージュにあるルイジアナ州立大学の科学者からのものです。ちなみに、宇宙での量子もつれは、2017年にすでにテストに成功しています。
多いほど良い
Hummingbird、Eagle、Osprey、およびCondor —これらは、2030年に発売を目標としている100万キュービットの量子コンピューターへの道を進んでいるBig Blue（IBM）からのキュービット数が増加しているプロセッサーの名前です。 2020年9月に、IBMが新しい65キュービットのQuantum Hummingbirdプロセッサをリリースしたことを知って驚いたが、それはIBMQNetworkメンバーだけに限られていた。いずれにせよ、ここで彼らのロードマップについてもっと読むことができます。
遠近法での量子ビット
今日のコンピューターはビットで動作します。 1ビットは0または1のいずれかになります。量子コンピューターの同等物は「キュービット」と呼ばれ、その間のすべてを含めて、同時にゼロと1の両方の値を持つことができます。これは、今日私たちが持っているスーパーコンピューターを追い越すのにあまり多くの量子ビットを必要としないという意味で、量子コンピューターを優れたものにします。ここで、100万キュービットのコンピューターのパフォーマンスを想像してみてください。
わずか10年（またはそれ以下）でメガ量子コンピューターを使用する場合、それらに対応するために、いくつかの本格的なファイバーネットワークと非常に巧妙なネットワークコンポーネントが必要です。この分野の開発の速度を見ると、まだ発明されていない多くの新しい技術が必要になります。私たちは、これまでに経験したことのないものよりもはるかに大きく、劇的な技術的スーパージャンプの危機に瀕していると信じています。
私は不思議なことに、この新興市場に参入している企業をフォローしています。彼らはリードしています。誰がフォローしますか？
量子の弱点
私のキャリアの中で、「100％安全」や「これは絶対的な限界です」などのテクノロジーについての声明を聞いたことがあります。 「量子力学のおかげで無条件のネットワークセキュリティを実現する方法」は、おそらく同様に弱い考えです。量子インターネット上の脅威については、佐藤隆彦、長山翔太、鈴木茂也、松尾隆明、ロドニーバンメーターが作成したこのドキュメントで説明しています。彼らは量子リピーターアーキテクチャに焦点を当てており、リピーターには従来のコンピューティングハードウェアが含まれているため、発生する可能性のある攻撃は従来のシステムの攻撃と非常に似ていると主張しています。
攻撃は通常、量子力学の詳細である最強のポイントを標的としないことを考えると、必然的に古典的なネットワークコンポーネントとなる最弱のポイントへの攻撃を合理的に期待できます。
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まとめ
量子コンピューターには量子ネットワークがあり、そのために私たちが持っている最高の現在の技術は光ファイバーです。量子状態の光子を運ぶ量子ビットはネットワークを介して転送され、量子力学の性質と「観察者効果」のおかげで、輸送中に量子状態を傍受することはできません。ただし、リピーターには弱点がある可能性があります。距離を伸ばす場合に必要なコンポーネントです。
一部の技術はまだ設計されておらず、多くの課題がありますが、「安全なインターネット」への多大な経済的関心により、研究者は必要なすべての資金を手に入れることができます。公開されている膨大な量の科学論文を見ると、この分野での猛烈な進歩が明らかになります。
それが構築できれば、それは壊れることがあります。セキュリティと暗号化に関する議論は活発であり、量子技術が成熟するのを待って、暗黒の勢力が怠惰になることはないと思います。
量子コンピューターとネットワークはすでにここにあり、数年以内にそれらは商業的に利用可能になるでしょう。それまでに準備はできていますか？