Как кванты мир завоюют: есть ли у России шанс стать лидером новой технологической революции

• В погоне за квантовым превосходством
• Платформа суперкомпьютера
• Квантовая связь без права взлома
• Сенсоры для времени и мозга

В погоне за квантовым превосходством

Более или менее освоенный «квантовый мир» делится на три направления: вычисления (ими занимаются квантовые компьютеры), коммуникации, сенсоры. Основная работа во всех направлениях сегодня – научная, прикладная же составляющая пока достаточно условна. Тем не менее в кванты активно вкладываются и крупнейшие мировые IT-компании (американские IBM, Google и Microsoft, китайские Alibaba и Baidu, список можно продолжать), и государства. В мае этого года консалтинговая компания McKinsey подсчитала общие объемы инвестиций в квантовые технологии за все время. Тройка лидеров довольно предсказуема: Китай ($15,3 млрд), Европейский союз ($8,4 млрд) и США ($3,7 млрд). Россия с $700 млн занимает восьмую строчку – между Индией ($1 млрд) и Израилем ($500 млн).

В нашей стране квантовые технологии и квантовые коммуникации были названы в числе десяти наиболее приоритетных высокотехнологичных направлений в середине февраля 2022 года. Профильная дорожная карта пока датируется 2019 годом, однако в РАН ведутся разработки новой, на 2025–2030 годы. Она должна быть представлена в 2024-м, но уже понятно, что к концу десятилетия ученые рассчитывают не только достичь технологического суверенитета по этому направлению, но и войти в список ведущих мировых держав. Предпосылки есть: за 2010–2022 годы Россия заняла второе место в мире по числу выданных в области квантовых технологий патентов. Впрочем, от лидера, США, мы пока отстаем на порядок – 192 патента против 2355.

Консалтинговые компании, которые изучают глобальные квантовые технологии, единодушны в том, что рынок будет быстро расти, разница лишь в цифрах. Fortune Business Insights прогнозирует рост с $717,3 млн сегодня до $6,5 млрд к 2030 году. BCC Research полагает, что динамика будет еще более быстрой: с $713,4 млн до $6,5 млрд в 2028-м. IDC подсчитал, что в прошлом году рынок уже составлял $1,1 млрд, и к 2027-му, по мнению экспертов компании, увеличится до $7,6 млрд. Ну а McKinsey дает смелый прогноз до 2040 года – к этому моменту объем квантового рынка достигнет $106 млрд.

Платформа суперкомпьютера

Квантовые вычисления, по мнению аналитиков, займут большую часть рынка: согласно прогнозу McKinsey, их доля составит до $93 млрд из общих $106 млрд. Соответственно, ключевая задача на пути к лидерству – создать функциональные квантовые компьютеры (КК). Чья условная «миссия», в свою очередь, – достижение квантового превосходства, то есть таких вычислительных мощностей, которые будут превосходить любые существующие суперкомпьютеры классического (не квантового) характера. Это позволит решать задачи, недоступные обычным компьютерам, сколь бы мощными они ни были.

В 2019 году американская корпорация Google уже заявляла о достижении квантового превосходства, но поторопилась. Она утверждала, что ее 53-кубитный КК сумел за 200 секунд выполнить задачу, на которую суперкомпьютеру IBM Summit потребовалось бы 10 тысяч лет. В IBM утверждение оспорили: достаточно было изменить алгоритм, чтобы решить ту же задачу за 2,5 дня – тоже заметно дольше, но все же не настолько, чтобы говорить о «превосходстве».

Спустя четыре года, в июле 2023-го, Google выступила со схожим заявлением, но была скромнее в оценках. По словам представителей компании, их теперь уже 70-кубитному КК удалось за 6,5 секунды решить задачу, на которую у одного из мощнейших в мире суперкомпьютеров Frontier ушло бы 47 лет. Утверждение осталось неоспоренным, и это уже смелая заявка на квантовое превосходство.

Бесконечный квант информации

В основе квантового компьютера (КК) лежат кубиты – квантовые биты, которые, в отличие от классических, могут шифровать в себе на порядок больше информации. Это происходит за счет суперпозиции – состояния, при котором кубит одновременно содержит не одно из двух значений (0 или 1, как классический бит), а сразу оба.

Работать с таким типом информации можно, имея два или более запутанных, то есть связанных между собой кубита. Увеличение числа кубитов в системе дает экспоненциальный прирост вычислительной мощности, однако вместе с тем возрастает вероятность ошибки в вычислениях и распада связности кубитов.

Получить стопроцентно точный результат с помощью КК невозможно, всегда будет вероятность ошибки. Но квантовые вычисления позволяют выполнять задачи, слишком сложные для классических суперкомпьютеров, где необходимо большое количество параллельных вычислений.

Чтобы добиться значимых результатов в области квантовых вычислений, физикам приходится системно решать сложности фундаментального характера. «Для повышения вычислительной мощности квантовых компьютеров необходимо одновременно увеличивать в них количество кубитов и при этом не ухудшать качество выполнения операций», – объясняет кандидат физико-математических наук, сотрудник лаборатории «Оптика сложных квантовых систем» Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) Александр Борисенко. Дело в том, что чем больше кубитов в системе, тем сложнее ее поддерживать в стабильном (когерентном) состоянии и тем выше влияние внешних «шумов». Соответственно, больше вероятность получения ошибочных данных. Чтобы решить эти проблемы, кубиты защищают от влияния окружающей среды, охлаждают до температур, близких к абсолютному нулю (сейчас это одно из ключевых условий для достижения необходимых квантовых эффектов), используют алгоритмы для коррекции ошибок и т. д. «Это дорогой и ресурсоемкий процесс, а сам компьютер может занимать целую комнату», – отмечает Борисенко.

Самый мощный квантовый суперкомпьютер сегодня – IBM Quantum Osprey, который оперирует 433 кубитами. Согласно дорожной карте компании, в этом году она планирует разработать чип с 1121 кубитом, а в 2025-м – преодолеть отметку в 4 тыс. кубитов и таким образом добиться квантового превосходства.

Отечественные разработки на этом фоне выглядят не слишком впечатляюще: в 2023-м был представлен КК на 16 кубитов, до конца года планируется показать 20-кубитный. Тем не менее Россия активно участвует в исследованиях и разработках в области квантовых вычислений, уточняет Борисенко, хотя наш уровень пока ниже, чем в ведущих странах – Китае и США.

И все же неправильно будет утверждать, что Россия критически отстает по всем квантовым разработкам. Старший научный сотрудник группы «Квантовая оптика» Российского квантового центра Дмитрий Чермошенцев рассказывает, что есть направления, в которых мы находимся среди лидеров: «Например, в разработке квантовых компьютеров на кудитах, а также в создании квантовых алгоритмов для решения задач». Речь идет об алгоритмах для управления кудитными квантовыми системами. «Чтобы решать практические задачи и запускать квантовые алгоритмы, необходимо эффективно осуществлять перевод кудитных квантовых вычислений в кубитный формат», – объясняет эксперт. Таким образом, можно предположить, что при удачном стечении обстоятельств российские КК будущего вполне смогут посоревноваться на равных с зарубежными разработками.

Что такое кудиты

Кудиты – сравнительно новое открытие, которому меньше десяти лет. Это квантовые частицы, которые могут находиться в суперпозиции не двух состояний (0 и 1, как кубит), а большего числа – например, трех (кутрит) или четырех состояний (кукварт). Один кукварт примерно эквивалентен двум кубитам.

Применение кудитов позволит существенно повысить производительность КК при меньшем количестве квантовых частиц, что облегчит сохранение такой системы в стабильном (когерентном) состоянии. В России прототип компьютера с кудитами был представлен в 2021-м, а в мае прошлого года ученые из Российского квантового центра получили патент на разработку, который будет действовать минимум до 2040-го.

В качестве кубитов могут применяться несколько типов квантовых частиц. Среди лидеров квантовых вычислителей Александр Борисенко перечисляет несколько платформ: ультрахолодные ионы, атомы, сверхпроводящие цепочки и фотоны. «У каждой из платформ есть сильные и слабые стороны, – отмечает эксперт. – Если говорить об универсальных квантовых компьютерах, то лидеры тут ионные системы, обладающие высоким качеством выполнения операций и полной связностью. Однако вопрос увеличения количества кубитов для этой платформы стоит наиболее остро». Остальные системы, по словам Борисенко, могут оперировать и большим числом кубитов, но без полной связности, что ограничивает используемые в них алгоритмы.

Стоит добавить, что представленный в 2021 году прототип КК на кудитах работает именно на ионах. Но в Российском квантовом центре при этом не считают, что нужно отдавать приоритет одной платформе. «Мы полагаем, что надо осуществлять планомерное развитие всех платформ, поскольку, вероятно, каждая из них будет эффективно решать какие-то свои, определенные типы задач», – поясняет Дмитрий Чермошенцев.

Квантовый компьютер – сложный механизм, который пока может существовать только в лабораторных условиях и даже близко не реализовал свой потенциал. С уверенностью можно сказать: в обозримом будущем в каждом доме и офисе такое устройство точно не появится. Впрочем, сегодня компании могут воспользоваться квантовыми вычислениями с помощью облачных платформ. «Такое использование «по подписке», вероятно, будет развиваться быстрее и применяться для ускорения вычислений как сопроцессор к классическому компьютеру», –предполагает Александр Борисенко. Кроме того, эксперты рынка рассчитывают, что широкое применение квантовых вычислений для решения реальных бизнес-задач стартует уже в 2024 году.

Квантовая связь без права взлома

Помимо квантовых вычислений набирают силу еще два направления, предназначенных для решения актуальных задач, – коммуникации и сенсоры. В сфере коммуникаций основная задача квантов – шифрование, то есть защита канала данных от взлома.

Законы квантовой механики позволяют передавать ключ шифрования таким образом, что его незаметный взлом попросту невозможен: если кто-то посторонний попытается вмешаться, передача информации автоматически прекратится. Но у такой связи есть ограничение по дальности передачи: чем длиннее канал, тем больше «шумов» при передаче, и в какой-то момент они становятся критическими, то есть ключ попросту не сработает. Поэтому на дальних расстояниях используются ретрансляторы.

Китай делает ставку на квантовые спутники, причем первый из них, «Мо-Цзы», используется еще с 2016 года. Российские ученые в мае 2023-го с его помощью тестировали свою модель квантовой спутниковой связи. У России квантовых спутников пока нет (хотя год назад сообщалось, что в 2023-м такой спутник может быть запущен), поэтому нынешние квантовые каналы связи строятся с применением наземных ретрансляторов. Например, на линии квантовой связи между Москвой и Санкт-Петербургом, которая была запущена два года назад, используется 19 ретрансляторов: по три в каждом городе и еще 13 на трассе. А в прошлом году была обновлена дорожная карта квантовых коммуникаций в России: к 2024-му их общая протяженность должна составить 7 тыс. км, к 2030-му – свыше 15 тыс. км.

Мировой рынок квантовых коммуникаций, по подсчетам аналитиков, также будет расти. Astute Analytica оценила его объем в $420,4 млн (2022 год) и предполагает, что к 2031-му он увеличится до $1,17 млрд. Аналитики McKinsey прогнозируют, что до 2040 года объем рынка при позитивном сценарии достигнет $7 млрд.

В поиске закономерности

Как и классические суперкомпьютеры, квантовые предназначены для работы с большими объемами данных. Их сильная сторона – построение моделей, а также оптимизация (классификация и кластеризация): то, с чем обычные компьютеры порой не справляются вовсе.

В физике и химии, например, КК могут моделировать и анализировать сложные химические соединения и реакции (в том числе для разработки новых лекарств). Также квантовые вычисления могут помочь оптимизировать сложный городской трафик – так в 2016 году сделала компания Volkswagen в Лиссабоне.

КК отлично справляются с поиском и выявлением закономерностей, например, в массиве статистических данных. Это свойство может быть полезно и для обучения нейросетей, то есть для развития технологии ИИ. (А машинное обучение, в свою очередь, помогает ученым стабилизировать квантовые системы и уменьшить количество «шумов» в них.) Наконец, КК – отличный дешифратор: он позволяет «взломать» практически любой не квантовый шифровальный ключ.

Сенсоры для времени и мозга

Для рынка квантовых сенсоров McKinsey предрекает немного меньший объем – до $6 млрд. И это удивительно, учитывая, что область применения у сенсоров обширнее и в перспективе затронет множество практических сфер. Это прежде всего несколько направлений в медицине (диагностика заболеваний, получение высокоточных медицинских снимков и др.), навигация (в том числе в автономном транспорте и спутниках), наука, военная сфера.

Преимущество квантовых сенсоров перед «традиционными» – очень высокая чувствительность и максимальная точность измерений. «Это позволяет проводить точные измерения таких физических величин, как время, ускорение, электрический ток, магнитные поля, и даже улавливать гравитационные волны, – объясняет Александр Борисенко, – что делает квантовые сенсоры ценным, не имеющим аналогов в классической физике практическим инструментом».

Дмитрий Чермошенцев в качестве примеров квантовых сенсоров приводит NV-центры в алмазах и атомные часы. Самые точные часы были представлены пять лет назад Национальным институтом стандартов и технологий: предполагается, что их отклонение составит всего одну секунду за 10 млрд лет.

NV-центры в алмазах – сравнительно новый тип магнитометрии. Подобные сенсоры могут применяться для широкого спектра задач, но одним из наиболее перспективных направлений считается изучение мозга. Современные электроэнцефалограммы (ЭЭГ), а также МРТ- и КТ-сканеры позволяют исследовать принципы работы и активности разных отделов мозга, но квантовые магнитометрические сенсоры смогут делать это с намного большей точностью и в более короткие промежутки времени (вплоть до миллисекунд). Это позволит не только диагностировать и лечить неизлечимые на сегодняшний день заболевания мозга (включая сложные формы опухолей), но и серьезно продвинуться в развитии нейроинтерфейсов. Что, в свою очередь, будет способствовать как квантовому, так и технологическому прорыву.