Что такое квантовые деньги
Учёные создали концепцию квантовых денег «S-money»
Концепцию подобной валюты разработали исследователи из Кембриджского университета. Деньги построены на принципах квантовой физики, поэтому их невозможно подделать, украсть или взломать.
В отличии от криптовалют, которые переходят по сети из одной точки в другую, квантовые деньги просто появляются и исчезают, не преодолевая никаких путей. Это делает транзакции поистине моментальными.
Примечательно, что такую систему не сможет взломать даже мощнейший квантовый компьютер, так как её безопасность заложена на субатомном уровне. Кроме этого, подобная валюта отличается высокой конфиденциальностью. Все транзакции защищены протоколами безопасности, а для получения доступа к монетам нужно предоставить специальный ключ.
Учёные отмечают, что для запуска подобной валюты потребуется оборудование с огромной вычислительной мощностью, но имеющихся в современном мире ресурсов вполне хватит. В ближайшее время они намерены провести несколько тестов вместе с Центром квантовых коммуникаций.
Главная проблема, которая мешает созданию такой валюты в нынешних условиях, это необходимость длительного хранения квантовых состояний. Реализовать подобную возможность в крупных масштабах сейчас невозможно, да и в обозримом будущем это потребует огромных финансовых затрат.
Сами исследователи считают свою разработку некой моделью валюты будущего, где расчёты будут проводиться в межгалактических масштабах. S-money позволят передавать ценность из одной точки галактики в другую моментально, исключая любые трудности, связанные с расстоянием.
Молодой журналист, блокчейн-энтузиаст, копирайтер.
Квантовые деньги
В последнее время в шумихе по поводу квантовых компьютеров (точек, телепортов), на мой взгляд, теряется одна маленькая, но крайне важная деталь, а именно качественно новый механизм. Мир ожидает от квантовых компьютеров неслыханного быстродействия (чтоб взломать RSA), но это то же самое быстродействие, только быстрее; от квантовых точек — высокого разрешения (чтоб смотреть анимэ), те же пиксели/люминофор, только еще меньше; телепотация — то же самое отоволокно/OWC только быстрее (конечно же, я упрощаю).
Но еще в 1969 году (до Феймана, Рида, Минина, Бениоффа, Дойча, Екимова) один чудак предложил идею, которая может лечь в основу будущей инфраструктуры обмена информацией.
В своей статье «Conjugate coding», которую он написал в 1969, а опубликовали ее только в 1983, Стивен Виснер предложил идею как защитить деньги от подделки.
Что самое привлекательное в идее квантовой проверки подлинности, что она строится не на сложности (технической, вычислительной, инженерной, математической и т.д.), а на физической невозможности. На Хабре был замечательный обзор «Техника для проверки подлинности денег», где, помимо оптических, электрических, механических и тд способов защиты, вскользь упоминались квантовые деньги. (со слабыми измерениями пока мало что ясно, поэтому они не угроза квантовым деньгам)
«Я не получил никакой поддержки от своего научного руководителя — он вообще не проявил к ней никакого интереса, я показал ее еще нескольким людям — у них делались странные лица, и они возвращались к своим занятиям.»
Стивен Виснер, автор идеи квантовых денег
На картинке: Квантовая банкнота, предложенная Стивеном Виcнером в 1969 году. Содержит пирамиду с глазом, серийный номер и 20 ловушек для фотонов, чье содержимое является загадкой. В каждой ловушке находится 1 фотон с неизвестной поляризацией.
На данный момент идея квантовых денег нереализуема, тк пока еще не построили ловушки для отдельных фотонов. Но специалисты по безопасности уже во всю предлагают протоколы и атаки на них.
Статья написана для Хабра редакцией сайта о платежных системах с мониторингом обменников Web-payment.ru
Теорема о запрете на клонирование
Поляризация фотонов
Квантовая защита от подделки
Наглядный алгоритм защиты от подделки для 100 фотонов 
Атаки и модификации алгоритма
У предложенного Виснером алгоритма оказалось много недостатков, например помехи (что вынудило отказаться от 100% соответствия и согласиться на 90% соответствии), или чрезмерная власть, которую получает банк-эмитент.
Но группа авторов из MIT предлагает свое решение.
А в этом году вышла статья о еще об одном способе атаки An adaptive attack on Wiesner’s quantum money based on interaction-free measurement
Кубиты
Задача создания квантовой памяти остается нерешенной, но ученые и инженеры потихоньку мастерят прототипы
Кубит в лаборатории выглядит примерно так 
или так 
Про Стивена Виснера
Родился в 1942 годы, получил степень в Брандейском университете.
Сын директора MIT, советника нескольких президентов по науке Джерома Виснера, ярого сторонника автоматических космических программ (осуждал программы Аполлон, Меркурий и Джемини)
В своей статье «Conjugate Coding», Стивен предложил примитив «multiplexing» — что послужило прообразом для протокола забывчивой передачи.
Виснер соавтор Квантового сверхплотного кодирования.
Работы Стивена послужили отправной точкой для многих исследователей, в их числе и отцы квантовой криптографии — Charles H. Bennett и Gilles Brassard.
Сейчас Виснер работает с командой в Израиле.
«Оглядываясь назад, я думаю, смог ли бы сделать больше этого. Люди осудили меня за то, что я не приложил никаких дополнительных усилий для опубликования своей идеи; и я полагаю, что они в какой-то мере правы, но я был молодым аспирантом, и ко мне не было особого доверия. Во всяком случае, квантовые деньги никого не интересовали».
Стивен Виснер
Кошелек Шредингера: не знаешь, есть ли там деньги или нет пока не откроешь.
Купюра Гейзинберга: можно узнать одно из двух — либо номинал, либо подлинность купюры.
Квантовые деньги: мошенничество исключено
В Корнельском университете США команда физиков разработала прототип квантовых денег. В отличие от традиционных купюр, их подделать невозможно.
Идея «квантовых денег» принадлежит американскому физику Стивену Визнеру (1983 г.). От теории до реализации идеи на практике прошли годы. Только сейчас ученые смогли экспериментальным путем проверить его теорию, создав прототип. Исследование показало, что в настоящее время лишь квантовые деньги фальшивомонетчики не способны подделать.
Квантовая купюра создана с применением оптических технологий и закодирована поляризацией отдельных фотонов. Она базируется на кубитах, квантовых ячейках памяти, которые могут находиться не в одном из двух, а в одном из нескольких состояний, в отличие от классических битов.
Достоинства и недостатки квантовых денег:
С достоинствами все понятно, перейдем к недостаткам:
Как проверить купюры на подлинность и нарастить «денежную массу»?
Установление подлинности: составление секретного описания квантового состояния для каждой купюры. Секрет кодировки не разглашается в целях обеспечения безопасности.
Необходимо также ограничить возможности банков в части, касающейся выпуска в оборот квантовых купюр.
При проверке подлинности банкнот возможны погрешности. Ученые полагают, что погрешность допускается, если код соответствует оригиналу не менее, чем на 90%.
Аналогов у квантовых купюр нет, и пока не предвидится. Традиционные купюры сложно скопировать, так как государство стремится повысить степень защиты национальных валют.
Лучшая защита в наше время, согласно рейтингу Международного банкнотного сообщества, обеспечена английскому фунту стерлингов и австралийскому доллару.
Австралия использует полимерные деньги. Великобритания использует систему защиты «окончательная нить». Переменный блеск в купюрах нельзя подделать.
Фальшивомонетничество по-прежнему лидирует среди экономических преступлений в России и в мире. Подделывают рубли, евро, доллары, пластиковые карты и чеки. К слову, доллары США лидируют среди прочих валют. Проблема настолько серьезна, что ею на международном уровне занимается ИНТЕРПОЛ.
Введение квантовых денег способно изменить ситуацию на финансовых рынках и в сфере обращения дензнаков к лучшему. Первый шаг уже сделан – прототип создан. Следующий этап – закрепление исходных технических характеристик и ввод в обращение.
Как работают квантовые технологии в финансовом секторе?
Руководитель проектного офиса по квантовым технологиям Госкорпорации «Росатом»
Аналитики еще несколько лет будут обсуждать неоднозначную историю американской розничной сети по продаже игровых приставок и игр GameStop. За два месяца стоимость акций компании выросла на 40% благодаря «бунтующим трейдерам», а затем за 25 минут рухнула на 50%. Участники кампании по скупке бумаг сети хотели поддержать ее и противостоять крупным инвесторам.
Руководитель проектного офиса по квантовым технологиям Госкорпорации «Росатом» Руслан Юнусов рассказал, почему такая история станет невозможной при распространении квантового трейдинга, зачем финансовые организации инвестируют в пилотные проекты, и какие кейсы на сегодняшний день впечатляют больше всего.
Почему кванты
Любая аномалия на финансовом рынке — результат мошенничества, компьютерного сбоя или кибератаки, то есть, той или иной проблемы. Акции GameStop аномально подорожали в отрыве от фундаментальных показателей после спекуляций розничных инвесторов.
Квантовые алгоритмы машинного обучения способны обнаруживать такие ситуации в реальном времени, выявлять манипуляции, эффективно составлять стратегии против них, и это только один из способов их применения. В квантовой системе можно описать и более сложные модели поведения.
Квантовые системы способны детально просчитать и предсказать поведение агентов на рынке. Инвестор получает возможность вовремя выйти из акций или, напротив, получить денежную поддержку и отсечь конкурентов. Понимание поведения других игроков и их ресурсов (который не бесконечен), позволит эффективнее играть на рынке.
Ученые предсказывают изменение структуры фондового рынка с появлением квантового сегмента, однако истинный потенциал таких вычислений раскроется при совместном использовании классического и квантового подходов. Первые примеры мы увидим в течение 5-10 лет.
Зачем кванты
Финансовые организации заинтересованы в развитии сразу ряда квантовых технологий: в особенности, квантовых вычислений — для решения оптимизационных задач (например, одновременного расчета сразу нескольких параллельных вариантов) и квантовых коммуникаций — чтобы максимально обезопасить все имеющиеся данные.
RB.RU организует встречу проекта Founders’ Mondays для начинающих и опытных предпринимателей. Дважды в месяц по понедельникам.
Уязвимость современных методов защиты информации с развитием квантовых вычислений неизбежна. Уже сейчас постквантовая криптография или квантово-стойкая криптография — это достаточно актуальный сектор исследований как в академических кругах, так и в государственных и коммерческих компаниях.
На рынке растет число стартапов, которые разрабатывают продукты в области постквантовой криптографии, а ученые предсказывают кратный рост спроса на такие решения сразу после завершения стадии стандартизации.
Трейдинг — процесс предсказания изменения цен на активы и их покупку. Квантовый трейдинг — это все тот же процесс предсказания изменения цен, однако в разы более точный и более защищенный.
Квантовые алгоритмы и инструменты торговли, анализа и контроля рынков могут учитывать растущее количество сложных факторов, влияющих на стоимость бумаг. На сегодняшний день инструментов, которые справлялись бы с сопоставимыми задачами, нет.
Как работают алгоритмы
Результат решения вычислительных задач в финансовой аналитике зависит от случайных процессов. Расчеты требуются в инвестиционных прогнозах, инвестиционном анализе и планировании. Для решения обычно используют математический метод Монте Карло, который позволяет вычислить ожидание определенной величины.
Это происходит с помощью многократного генерирования возможных вариантов развития событий. Решить такие задачи кратно быстрее можно с помощью ряда алгоритмов на основе квантовой оценки амплитуды (Quantum Amplitude Estimation — QAE). Этот подход может обеспечить квадратичное ускорение решения сложных задач вычисления рисков или прогнозирования стоимости деривативов.
Некоторые линейные системы уравнений можно решить экспоненциально быстрее любого классического известного способа — с помощью алгоритма Харроу-Хасидима-Ллойда (HHL). Такие алгоритмы уже позволяют разрабатывать методы обучения глубоких нейронных сетей с многократным ускорением по сравнению с классическим обучением.
Квантовые вычисления в финансовом секторе могут быть полезны при решении многих задач. Ниже мы разберем наиболее распространенные:
Суть опциона – возможность купить или продать базовый актив по определенной цене до определенного времени. Это контракты срочного рынка, по которым обычно торгуют наиболее подготовленные трейдеры. Будущая цена актива определяется множеством рыночных факторов, которые сложно учесть.
Для предсказания будущей стоимости актива используется метод Монте-Карло. Возможных сценариев, которые нужно спрогнозировать и проанализировать, очень много. Нужно громадное множество отдельных испытаний для получения точности до двух знаков после запятой. Квантовые алгоритмы способны обеспечить существенное ускорение при решении таких задач.
Оптимизация инвестпортфелей и предсказания финансовых кризисов — хорошо изученная задача квадратической оптимизации при линейных ограничениях (формирование портфелей с оптимальным выбором активов, исходя из требуемого соотношения доходность/риск).
Однако классические компьютеры не могут решить ее из-за практически бесконечного набора возможных вариантов построения. Адиабатические квантовые компьютеры уже способны найти комбинацию, при которой значение многомерной функции при заданной конфигурации окажется минимальным.
Сегодня для прогнозирования кризисов в экономике используется в основном эмпирический подход, основанный на исследовании определенных сигналов и индикаторов рынка. Так или иначе он будет актуален, но из-за постоянной эволюции мировой экономики эмпирический подход уже не дает точных предсказаний.
Альтернатива — стресс-тестирование с использованием макроэкономического моделирования. По сути, это задача нахождения минимума многомерной функции при изменении ряда параметров. Ее решение позволяет оценить масштаб изменения рынка в случае возникновения шоков, трансформации разных условий вроде цен на нефть.
Из-за огромного количества связей между различными элементами системы, задачи стресс-тестирования пока решаются только для самых простых финансово-экономических моделей. Квантовые алгоритмы существенно упростят решение этой задачи и для сложных конфигураций.
Классическое обучение сложных моделей, как в случае больших данных на финансовом рынке, может длиться очень долго. Новейшие технологии ускорят обучение в классических нейронных сетях, позволят проверять гипотезы и тестировать модели гораздо быстрее.
На следующих этапах, когда мощности компьютеров существенно вырастут, можно будет говорить о настоящих квантовых нейронных сетях. Сегодня машинное обучение часто работает по гибридной схеме: часть блоков обучения — квантовые, часть — классические. С развитием этой системы часть задач вообще станет недоступна для классических схем машинного обучения.
Алгоритмы уже способны справляться с обнаружением мошенничества, банки используют эту технологию в режиме реального времени. Компьютер проверяет действия участников системы и сравнивает с массивом данных, характерным для него. Квантовые нейросети помогут пресекать мошенничество еще более эффективно. Со временем квантовые технологии встанут и в основу самых современных сетей кибербезопасности.
Где кванты
Крупные игроки серьезно готовятся к изменению сценариев работы. 21 международный банк и страховые компании приняли на работу не менее 115 специалистов по квантовым вычислениям, свидетельствуют данные Boston Consulting Group по состоянию на июнь 2020 года. Порядка 60% из них находятся в Европе, 28% в США и 10% в Азии.
Финансовые компании также сотрудничают с крупнейшими IT-корпорациями: JP Morgan Chase, Goldman Sachs, Barclays, Wells Fargo, MUFG, Mizuho, Tradeteq, Anthem – участники IBM Q Network; NatWest Group – в Microsoft Quantum Network.
Квантовое исследовательское подразделение холдинга JP Morgan Chase возглавил ветеран IBM (Master Invertor) Марко Пистойя, обладатель 26 патентов в области квантовых компьютеров. Аналогичным подразделением конгломерата Goldman Sachs руководит ученый Уильям Зенг, экс-глава направления в квантовой компании Rigetti Computing.
Финансовые компании станут первым бенефициаром квантовых вычислений. На горизонте пяти лет мы увидим примеры применения новых технологий в банковской сфере. Крупный испанский банк BBVA в 2020 году провел эксперименты на адиабатическом квантовом вычислителе Fujitsu по статической оптимизации инвестиционного портфеля более чем из 100 акций.
Банк также провел ряд экспериментов по динамической оптимизации инвестиционного портфеля в реальном времени: совместные с компанией Accenture эксперименты на адиабатическом квантовом вычислителе D-Wave, опыты с испанским стартапом Multiverse на квантовом компьютере IBM Q. Последний эксперимент определил оптимальный сценарий торговли на основе исторических данных для портфеля из 52 акций.
Другие компании сотрудничают с квантовыми стартапами:
В марте 2020 года американский финансовый холдинг JPMorgan Chase заключил соглашение с Honeywell, в рамках которого компания планирует использовать квантовое устройство для решения основных бизнес-задач финансовой индустрии: ускорения процесса проверки клиентов, вычисления рисков и планирования экономических сценариев.
В 2017 году американский стартап QxBranch объявил о старте разработки приложений для Commonwealth Bank of Australia (CBA), моделирующих поведение и свойства квантового компьютера.
Изучить и протестировать приложение с дополнительными операциями — риск-менеджментом, квантовым трейдингом, аналитикой — смогут исследователи, разработчики и представители других финансовых компаний еще до появления полноценного квантового компьютера.
Развиваются и проекты сотрудничества с университетами и научными организациями: BBVA работает с Высшим советом по научным исследованиям Испании; японский Nomura Holding – с Tohoku University; финансовая корпорация Standard Chartered создает проекты с NASA; голландский ABN AMRO Bank – с QuSoft.
Банки и корпорации вкладывают деньги в квантовые компании:
Allianz и Royal Bank of Scotland вложили 45 млн канадских долларов (2,7 млрд рублей) в 1Qbit, компанию-создателя квантового ПО.
Goldman Sachs неоднократно поддерживал в канадского производителя аппаратных решений D-Wave. В 2014 году сумма инвестиций от Goldman Sachs (GS) и ряда других игроков составила 30 миллионов канадских долларов (1,8 млрд рублей).
Новейшие алгоритмы используют и в России. Так, команда Алексея Федорова в Российском квантовом центре разрабатывает квантовые алгоритмы для финансовой оптимизации в интересах Газпромбанка и других крупных компаний. В России квантовые технологии востребованы и в нефтегазовой сфере, как в одном из самых перспективных секторов для страны.
Квантовые монеты неотличимы, но не подделываемы
Ученые придумали новый вид квантовых денег. Квантовые монеты можно передавать из рук в руки, а их подлинность сможет проверить каждый желающий. И хотя они неотличимы друг от друга, подделать их невозможно.
Пока россияне с интересом разглядывают вышедшие в обращение новые 10-рублевые монеты, специалисты по квантовой информации придумали новый тип квантовых денег, которые невозможно подделать. В отличие от предложенных ранее «квантовых купюр» новые «квантовые монеты» можно использовать многократно, передавая друг другу в обмен на товары и услуги.
Квантовые деньги
История квантовых денег началась 40 лет назад с работы американца Стивена Уизнера, который предложил кодировать подлинность денег в квантовом состоянии частиц света. Началась – и тут же закончилась, потому как опубликовать свою основополагающую работу аспирант Колумбийского университета нигде не смог. Это как раз тот случай, когда идея на самом деле «значительно опередила свое время». Все приличные журналы посчитали рукопись чересчур фантастичной.
Между тем предложение Уизнера совершенно естественно. Что мы хотим от денег? Пользователям деньги нужны для того, чтобы на них можно было обменять товары. А правительствам, которые следят за экономикой, необходимо, чтобы все было по-честному – деньги должно быть трудно, а в идеале невозможно подделать.
Пользовательские требования удовлетворяет общественный договор, оформленный законом, за выполнением которого следит то же правительство. Что же касается невозможности подделать, то как раз эта необходимость проявляет человеческую изобретательность во всей ее красе. Правительства печатают купюры на специальной бумаге с использованием хитроумнейших технологий защиты, помечают каждый экземпляр уникальным номером и нещадно карают за попытки взять это производство в частные руки. За фальшивые монеты, которые традиционно служат в качестве денег меньшего номинала, карают так же жестко, правда, помечать каждую индивидуальным номером все-таки не удосуживаются.
Собственно, теорема о невозможности квантового клонирования была доказана лишь в 1982 году, так что оригинальная рукопись статьи Уизнера выглядела куда неуклюжей, чем если бы он написал ее сегодня. Тем не менее через год после появления теоремы, в 1983 году, статья Уизнера появилась в печати, пусть и не в самом высокорейтинговом журнале.
Хороши, как ни кроши
С тех пор ученые предложили несколько схем, способных реализовать идею квантовых денег. Началось все с квантовых купюр с индивидуальными номерами, в пару каждому из которых Центральный банк или какой-нибудь другой «квантовый Гознак» должен был выпустить набор частиц с определенным квантовым состоянием. Этот набор частиц и предлагалось носить с собой в качестве денег. И теорема о невозможности клонирования гарантирует, что точно скопировать его невозможно – то есть дважды расплатиться этой «купюрой» не получится.
Состояние набора, если поглядеть на него с определенной точки зрения, кодирует некоторое число. Однако с какой стороны смотреть (говоря техническим языком, в каком из мириад возможных базисов производить измерение состояния частиц), известно лишь банку, а если смотреть с любой другой стороны, вместо заданного числа получится абракадабра. Так что только банк может сличить защищенные от копирования деньги.
Это, вероятно, не очень удобно. Каждый раз, когда вы зайдете в магазин купить молока и сосисок, вам и продавщице придется нестись в Центральный банк, чтобы удостовериться в подлинности ваших денег. Спасти могла бы линия связи с банком, как спасает она во время покупок в интернет-магазинах, однако до начала XXI века линий связи, способных передавать квантовую информацию, не было. Сейчас они появились, и, возможно, с этим связано возрождение интереса к квантовым деньгам.
Квантовый звон
Чтобы избавиться от всех этих трудностей разом, канадец Мишель Моска и австралиец Даглас Стебила в сотрудничестве с американцем Скоттом Ааронсоном предложили новый тип квантовых денег – квантовые монеты. Как и в случае с классическими монетами и купюрами, квантовые монеты отличаются от купюр отсутствием номеров. Все квантовые монеты представляют собой наборы частиц в одном и том же квантовом состоянии. Если знать это состояние, можно начеканить сколько угодно таких монет, но это состояние известно только банку.
Тратить, а не копить
Правда, чтобы вся эта схема работала, «верификатор» должен быть по-настоящему «черным ящиком», то есть работать так, что, даже раскурочив его и рассмотрев все детали, вы не сможете добиться от него большего, чем честным анализом выплюнутых квантовых наборов. К сожалению, математики еще не доказали, что построение истинного квантового «черного ящика» возможно. Так что не только практическая, но и теоретическая возможность выпуска квантовых монет пока остается под вопросом.
Кстати, у квантовых монет есть еще одно любопытное свойство. Их надо время от времени тратить – ну или хотя бы проверять, что они еще работают. Никакую квантовую частицу невозможно полностью изолировать от окружающего мира, а его влияние со временем заставляет любое исходно заданное состояние деградировать (как говорят физики, происходит «декогеренция»). А «черный ящик» «верификатора» всегда выплевывает «новые», только что отчеканенные монетки.