Государственные программы финансирования
Государства осознают необходимость осуществления поддержки научных исследований и разработок в сфере квантовых вычислений, начиная с момента появления серьезных технических достижений, проработки осознанных и подробных программ исследований и развития как в научной, так и в корпоративной среде, а также планомерного развития отдельных направлений квантовых технологий и постепенного их внедрения в различные системы (например, развитие услуг по предоставлению мощностей в качестве инфраструктуры (IaaS) и платформы (PaaS)). Основные объемы инвестиций в различных формах и с помощью всевозможных механизмов поступают по каналам государственных программ, при этом каждая страна определяет задачи и объемы выделяемых средств независимо от общей повестки, исходя из приоритетных текущих задач и имеющейся ресурсной и научной базы.
Также правительства разных стран понимают важность быть новаторами на постепенно проявляющемся рынке, поскольку именно новаторы занимают основную нишу, получая возможность определять его правила функционирования и стандарты. Рассмотрим программы стран, определивших программы на период 2020–2025 гг. по исследованию и развитию квантовых технологий, а также выделивших финансирование на них.
Табл. Государственные программы финансирования развития квантовых технологий (период 2020 – 2025 гг.
Программы государственного финансирования подробно разработаны, бюджеты выделяются в соответствии с поставленными задачами. К финансированию привлекается и частный капитал. Однако агрегированные суммы запланированных государственных инвестиций для каждой страны представляются достаточно скромными в сравнении с программами финансирования других технологий (с учетом периода их реализации в 4–5 лет), что говорит об осторожности по отношению к поддержке подобных программ (исключением следовало бы считать Китай, однако, в проекты активно привлекаются инвестиции Alibaba Group). Тем не менее правительства разных стран стремятся оптимизировать процесс (выстраивает общую концепцию развития технологии, определяет основные задачи, поддерживает ключевых участников отрасли), вовлекая в кооперацию как научно-исследовательские учреждения и институты, так и частные компании ввиду стремления занять лидерские позиции в одном или нескольких направлениях квантовых технологий. Поскольку в сфере происходит развитие фундаментальных положений и прорабатываются направления прикладного использования технологий, в ближайшем будущем ожидается создание готовых технологических решений, которые потенциально могут быстро занять стратегически важные рынки.
На текущий момент можно выделить США, Китай и Японию, лидирующих в сфере квантовых технологий. При этом тип лидерства отличается: США лидирует в сфере квантовых вычислений, на что нацелены как программы финансирования, так и частные инвестиции, и внутренние проекты компаний, при этом проводится активная поддержка софтверных решений. Япония и Китай борются за лидерство в сфере квантовых коммуникаций. Остальные рассмотренные страны активно включаются в гонку, разрабатывают и внедряют государственные программы финансирования, а также привлекают частный капитал в развитие направления.
Россия также включается в гонку за инновационные решения в сфере квантовых технологий, определив совокупный бюджет в 800 млн долл. (текущий курс) и распределив направления среди госкомпаний, что потенциально повысит результативность программы за счет диверсификации задач с возможностью кооперации. Безусловно, развитие квантовых технологий основывается на имеющихся достижениях, однако, накопленные инвестиции, технологии и опыт, а также количество квалифицированных исследователей уступают странам-лидерам.
Компании продолжают проявлять заинтересованность в развитии квантовых технологий, увеличиваются объемы инвестирования. Достижения и планы стратегического развития крупных производителей аппаратного обеспечения, таких как IBM, Google, Honeywell, IonQ, PsiQuantum и др., позволяют предположить, что в ближайшем будущем будут сконструированы и запущены квантовые компьютеры, достаточно мощные и стабильные для решения важных проблем бизнеса и общества.
Бит против кубита
IBM Q System One – первый коммерчески доступный квантовый компьютер на базе 20-ти кубитов.
Квантовые вычисления очень часто воспринимаются как некая магия, где волшебная коробочка, погружённая в жидкий гелий, может заменить целые суперкомпьютерные кластеры. На самом деле эта технология предполагает огромный рост производительности, но только в ограниченной сфере задач. Условно говоря, вы сможете во много раз быстрее выполнять расчёты по фолдингу белков, нахождению элементов в базах данных, моделированию атмосферы или взлому классических асимметричных шифров вроде RSA. Но вряд ли это вам поможет в выполнении линейных алгоритмов, не предполагающих параллельных вычислений.
Основа любого квантового компьютера – кубит. По сути, это аналог бита в классических системах. Ключевое отличие в том, что бит всегда имеет одно из двух возможных значений – 0 или 1. При этом каждым битом надо манипулировать отдельно. С кубитами всё иначе. У кубита в «рабочем состоянии» до коллапса волновой функции нет определённого значения. Он находится в неопределённом состоянии суперпозиции, принимая все возможные значения одновременно. Кубиты должны быть запутаны между собой и работать как единая система, так как одиночный кубит сам по себе довольно бесполезен.
3 бита классического регистра против 3-х кубитов квантового
При этом квантовый компьютер тем эффективнее, чем больше кубитов одновременно находятся в запутанном состоянии. Почему так происходит?
Таким образом, по мере добавления отдельных кубитов в общий запутанный регистр содержащийся объём информации растёт по экспоненте. Считается, что 50 кубитов уже достаточно для получения квантового превосходства, при котором квантовый компьютер сможет решать задачи, невозможные для классических вычислительных систем. При достижении порога в 300 кубитов, число возможных состояний уже становится 2^300, что превышает количество атомов во всей вселенной.
Обычный компьютер выполняет какой-то алгоритм только для одного набора данных. Квантовые элементы могут принимать несколько значений одновременно, что позволяет производить вычисления не на одном наборе данных, а на всех возможных значениях одновременно. По сути, это идеальный вариант параллелизма, лишь бы данные помещались в регистр. Проблема заключается в том, что сложность удержания системы в когерентном состоянии также растёт экспоненциально.
Что реально с ними сейчас происходит в мире и в России
Время на прочтение
Квантовый процессор Google на базе массива из 54 кубитов.
Квантовые технологии стали своеобразным технологическим Святым Граалем. Все крупнейшие государства и компании вкладывают огромные деньги в разработку, но никто толком не понимает, как в финале будет выглядеть инфраструктура квантовых вычислений и что это даст. Текущая ситуация очень сильно напоминает историю с управляемым термоядерным синтезом, когда полноценный запуск состоится уже вот-вот, но надо немного подождать, пока мы решим новые возникшие проблемы. Часть технологий откровенно сырая, а часть работает уже сейчас.
За последние годы уже несколько раз компании объявили, что достигли квантового превосходства – способности решать задачи, невыполнимые для классических компьютеров. В 2019 году Google опубликовала статью в Nature, заявив о достижении квантового превосходства на массиве из 54 кубитов. 3 декабря 2020 года уже китайские учёные сообщили о достижении квантового превосходства с новым суперкомпьютером Jiuzhang на запутанных фотонах. В этом исследовании за 200 секунд была решена задача, которая на обычных суперкомпьютерах решалась бы более 1,5 миллиардов лет.
При этом все пишут только о количестве кубитов в системе, но это далеко не единственная ключевая характеристика. Есть ещё как минимум две, не менее важные:
Предлагаю пройтись по текущим достижениям в этой области. Посмотрим, почему РЖД стал крупнейшим квантовым оператором в России. А ещё попробуем понять, пора ли уже внедрять шифрование McEliece в TLS и паниковать или можно ещё немного подождать.
Физические варианты реализации
Как бит может быть представлен во многих физических вариантах реализации, так и кубиты могут сильно отличаться друг от друга по своей природе. На данный момент есть несколько ключевых вариантов:
Технология находится в самом начале развития, поэтому предугадать лидера очень трудно. Сложность удержания системы растёт по экспоненте. Из-за этого какие-то перспективные направления могут давать более простую реализацию на малом количестве кубитов, но почти непреодолимые технологические барьеры на большом. В то же время текущие аутсайдеры могут показать более хорошее масштабирование на больших системах.
Сверхпроводники
Сейчас вперёд вырвались квантовые компьютеры на базе сверхпроводников. Они все требуют сверхнизких температур в районе 0.01 К. Именно на этой технологической базе работают устройства, разработанные в IBM, Google и D-Wave.
Кубиты в этом исполнении представляют из себя обычные электрические цепи, которые работают на базе джозефсоновских контактов – явления протекания тока через слой диэлектрика, разделяющего два сверхпроводника. Отчасти джозефсоновские контакты представляют собой аналог транзисторов в классических системах.
Основная сложность масштабирования систем на базе сверхпроводников в том, что каждый проводник уникален, так как изготавливается искусственно и с определенной погрешностью, свойственной фотолитографии. Это приводит к необходимости сложной коррекции ошибок, уникальной для каждого экземпляра.
Атомы и ионы
Ионы и атомы хороши тем, что они абсолютно идентичны. Каждый кубит абсолютно стандартный. Логические операции на ионах выполняются с меньшей погрешностью, так как заряженные частицы хорошо и чётко взаимодействуют между собой.
Но и тут проблемы начинаются при попытках масштабирования. Каждый ион необходимо поймать в ловушку электрического поля. Пока их немного, всё в порядке. Как только вы сталкиваетесь с задачей выстраивания единого запутанного квантового регистра на сотню ионов, вы получаете почти неразрешимую задачу по удержанию кубитов в сложнейших электрических полях на очень малом расстоянии друг от друга. По мере роста системы сложность только увеличивается.
Кубиты на базе холодных нейтральных атомов обычно подвешивают в глубоком вакууме лазерным излучением. Световые ловушки позволяют удерживать отдельные элементы в строго рассчитанных координатах. Но тут возникает проблема стабильности системы и время удержания когерентности.
Свет
Квантовые вычисления на фотонах сейчас находятся в самом начале пути. Если ионами, холодными атомами и сверхпроводниками вы относительно свободно можете манипулировать, то с фотонами всё иначе. Ими очень сложно управлять. С фотонами не проблема выполнить однокубитные операции. Двухкубитные операции уже намного сложнее, так как их непросто изолировать и заставить обмениваться между собой квантовой информацией. Также есть проблема в ячейках памяти для хранения квантового состояния системы. Точно сохранить и извлечь данные пока проблема.
Патентная активность в сфере квантовых технологий
Если рассматривать объемы регистрируемых патентов в сфере квантовых технологий вне зависимости от типа участников в целом по миру, то среди стран с наиболее активной регистрацией патентов первую строчку занимают США, которые выдали примерно половину от общего числа патентов за рассматриваемый период, затем — Китай, Япония и Европейское патентное бюро (Рис. 2).
Рис. Количество патентов на квантовые технологии по странам/регионам (с 2011 по 2020 гг. Данные относятся к стране, в которой подана заявка на патент, а не к местонахождению организации, подающей заявку.
При рассмотрении накопленных данных на более длинном периоде — с 1991 по 2020 гг. — список стран-лидеров преображается (ранжированы по накопленному количеству патентов): США, Япония, Канада, ЕС, Китай, Австралия, Республика Корея.
Общий тренд на регистрацию и получение патентных заявок с каждым годом неуклонно растет, в среднем увеличивая объем на треть. Рассмотренные данные позволяют понять как уровень активности в сфере квантовых технологий в каждой из стран, так и географическое распределение рынков.
Также необходимо учитывать и такой драйвер развития квантовых технологий, как вовлеченность частных компаний, корпораций и стартапов в научные исследования и разработки, часть из которых находит практическое применение. Результатом их деятельности по направлению НИР следует рассматривать число патентов (Рис. 3 и Рис. 4).
Рис. Компании с наибольшим количеством выданных патентов в сфере квантовых вычислений (с 2011 по 2020 гг.
С 2011 по 2020 гг. общее количество выданных патентов в сфере квантовых вычислений среди корпоративного сектора приблизительно возросло в 4 раза, при этом активный рост начался с 2018 года. Компании D-Wave и IBM владеют примерно одной пятой от общего числа патентов, при этом в последние годы значительно увеличилась активность IBM и Google. Половина из 10 ведущих компаний имеют штаб-квартиры в США (IBM, Northrop Grumman, Google, Microsoft и Rigetti), и вместе они владеют 60% от общего числа патентов.
За последнее десятилетие заявки на патенты в области квантовых коммуникаций в сравнении с квантовыми вычислениями, как правило, в значительной степени распределены среди компаний, стартапов, университетов и прочих организаций, при этом они находятся в различных странах, не позволяя определить лидера в направлении, (к примеру, часть компаний находится в Великобритании (QinetiQ) и Финляндии (Nokia Technologies)), что указывает на более выраженное распределение научно-исследовательской работы и источников инноваций в сфере квантовых коммуникаций.
Рис. Организации с наибольшим количеством выданных патентов в сфере квантовых коммуникаций (с 2011 по 2020 гг.
Высокую патентную активность можно также зачастую рассматривать в качестве косвенного признака, отражающего направления инвестиций, поступающих в компании и технологические стартапы в сфере квантовых технологий.
Корпоративная вовлеченность
Интерес и инвестиции в квантовые технологии со стороны крупных компаний и корпораций продолжают расти: в 2020 и 2021 гг. было инвестировано почти в два раза больше инвестиций (2,15 млрд долл.), чем за предыдущие 10 лет (1,16 млрд долл.). При этом от года к году все больше инвестируется в программное обеспечение — 758 млн долл. совокупно за 2020 и 2021 гг. Такие стартапы, как Zapata Computing (привлек совокупно 64 млн долл. на конец 2020 г) и Cambridge Quantum Computing (привлек совокупно 95 млн долл. на конец 2020 г и 270 млн долл. в совместном с Honeywell проекте в 2021 г), привлекают финансирование на разработку алгоритмов квантового компьютера. В сентябре 2021 г. израильская компания Quantum Machines получила 50 млн долл. на создание облачной инфраструктуры и программного обеспечения для квантовых компьютеров.
Рис. Компании, занимающиеся квантовыми вычислениями, ранжированы по общему объему долевого финансирования, млн долл. (данные на июль 2021 г.
Среди стартапов, получающих инвестирование по направлению аппаратного обеспечения, следует выделить Rigetti (стартап из Беркли, который привлек в общей сложности более 190 млн долл.) и PsiQuantum, которая в прошлом году заявившая, что планирует построить полномасштабный квантовый компьютер к 2025 г. (стартап привлек 450 млн долл. во главе с BlackRock, достигнув оценки в 3,15 млрд долл.). В отличие от своих конкурентов, которым, возможно, потребуется развивать свои мощности по производству микросхем, PsiQuantum производит ранние версии квантовых микросхем с помощью Global Foundries, одного из крупнейших в мире производителей полупроводников.
IonQ также заявила о создании первого практико-ориентированного квантового компьютера. SoftBank через свой инвестиционный фонд Vision Fund 2 в начале июня 2021 приобрел «крупную», но не контрольную долю в IonQ. Японский инвестор заявил, что надеется в конечном итоге использовать возможности квантовых вычислений IonQ для ускорения вычислений для некоторых компаний из своего портфеля.
Рис. Инвестиции в стартапы и технологические компании в сфере квантовых вычислений.
Согласно самым позитивным прогнозам, в течение трех-пяти лет ожидается начало использования квантовых технологий в промышленных, финансовых или государственных целях. На текущий момент значительная часть новых инвестиций направляется на разработку более дешевого и надежного оборудования для квантовых вычислений. Корпорации IBM, Google, Honeywell и Amazon Web Services вкладывают значительные средства в исследования и разработку наряду с хорошо финансируемыми стартапами, такими как IonQ. К примеру, IBM в рамках программы разработки нанотехнологических компонентов для кремниевых чипов в области квантовых компьютеров запланировал инвестиции на 3 млрд долл. до 2025 г. Однако финансирование проектов в сфере квантовых технологий не ограничено исключительно государственным, корпоративным и венчурным капиталом, источников финансирования зачастую гораздо больше (Рис. 6).
Рис. Типы финансирования стартапов в сфере развития квантовых технологий (за 2001–2021 гг. ), %.
Венчурный капитал включает инвестиции венчурных фондов и венчурные инвестиции.
Тип финансирования Акселератор подразумевает инвестиции в стартапы, поступившие через бизнес-акселераторы.
Корпоративный капитал включает инвестиции корпораций, корпоративный венчурный капитал, компаний, поддерживаемых венчурным капиталом, и компаний, поддерживаемых частным капиталом, инвестирующих во внешний стартап; не включает корпорации, инвестирующие во внутренние программы QT.
Бизнес-ангел — частный венчурный инвестор, дающий финансовую и экспертную поддержку компаниям на ранних этапах развития.
Государственное финансирование включает непосредственное государственное финансирование через различные программы, суверенные фонды благосостояния и финансирование со стороны университетов.
Тип частного (иного) финансирования включает финансирование от иных, не указанных выше источников: собственные вложения участников стартапов, финансирование частных университетов и пр.
За последние годы, как было указано выше, значительно возросли объемы инвестиций со стороны венчурных компаний и корпораций. Их внезапный всплеск главным образом связан с утверждением государственных программ финансирования квантовых технологий, которые были выделены как через прямое финансирование, так и через гранты и иные инструменты, позволяющие совмещать усилия университетов, научно-исследовательских центров и частных компаний (Табл. 2).
Таблица. Типы организаций-участников, вовлеченных в исследования и разработку в сфере квантовых вычислений.
Гонка в области квантовых вычислений и квантовой криптографии сравнима с Манхэттенским проектом. Единых стандартов и подходов нет, будущие архитектурные лидеры пока неочевидны. Но уже сейчас крупные частные корпорации, вроде Google и IBM, готовы предоставлять для удалённых вычислений свои квантовые компьютеры по модели Iaas и PaaS. По мере наработки опыта в этой сфере идёт массовая оптимизация и удешевление.
Расходы на квантовые вычисления, предоставленные госучреждениям, университетам и научным группам, исследовательским организациям, достигли $412 млн. Это не так много, но рынок быстро растёт и, по оценкам экспертов, должен достигнуть $8,6 млрд к 2027 году.
В России подключились крупные игроки в виде РЖД, Росатома и Ростеха. Предполагается, что в общую дорожную карту включатся крупные университеты и научно-технологические комплексы, такие как Сколково.
Что уже есть
Защищённые квантовые каналы связи есть уже сейчас. Используют как системы с квантовой запутанностью, так и протокол измерения и подготовки. Гарантированно защищенная связь крайне востребована как военными, так и крупными банками. В промышленной эксплуатации пока системы не используются.
Университет «Иннополис» и компания QRate реализовали интересный проект защиты систем автономного управления беспилотника. По сути, задача состояла в создании секретного шифроблокнота достаточного размера, чтобы его впоследствии можно было использовать совместно с классическими алгоритмами по общим сетям связи. Во время зарядки электромобиля происходит параллельное накопление квантовых данных через оптический канал. Затем автомобиль использует полученные данные для установления квантово-защищённого канала мобильной связи на базе классического OpenVPN и ключей, которые хранятся в специальном устройстве.
Понятно, что приложение экспериментальное, но оно применимо в любых отраслях, где есть высокие риски перехвата и компрометации критических данных.
Что только планируется
Квантовые вычисления ещё очень сырые. По сути, когда мы слышим про 1 000 кубитов у того же D-wave, надо понимать, что на самом деле это кластер из 8-кубитных когерентных блоков. В результате практическая применимость таких систем сильно ограничена узким кругом задач.
По мере роста длительности когерентного состояния, числа кубитов и снижения ошибок, станут возможны прорывы в области химии, фармакологии и других областях, которые требуют сложных параллельных вычислений. Так, станут возможны разработки сложнейших синтетических ферментов, которые смогут катализировать нужные реакции в организме пациента. На такое проектирование сейчас просто не хватает мощностей, чтобы это было рентабельным. Станет возможным предсказывать биохимические и другие свойства будущих препаратов по их молекулярной структуре. Это привёдет к прорыву в процессах разработки и резкому снижению тупиковых вариантов лекарств.
Массовая компрометация текущих алгоритмов шифрования тоже придёт со временем, но скорее всего мы успеем осуществить плавный переход на постквантовые алгоритмы до того, как это станет массовой проблемой.
В текущем виде квантовые технологии очень интересны, перспективны, но для получения коммерчески значимых фактических преимуществ придётся вложить огромные средства в разработку.
Области применения
У квантовых технологий есть несколько ключевых областей применения. В первую очередь все вспоминают про текущую криптографию, которая потенциально станет бесполезной после массового внедрения квантовых систем на тысячи кубитов. Но это направление не ограничивается только квантовыми вычислениями. Многие параллельные ветви развития обеспечивают, например, связь, которая защищена от MitM на фундаментальном уровне.
Квантовый брутфорс
Наиболее известные из разработанных алгоритмов для «квантового брутфорса» – это алгоритмы Шора и Гровера. Они позволяют быстро факторизировать числа и подбирать коллизии к хешам, соответственно. На данный момент полусотни кубитов недостаточно, чтобы поставить под угрозу всю современную криптографию, но потенциально может потребоваться переход на постквантовые алгоритмы, которые обеспечат стойкость условного TLS 3.0, даже при наличии у атакующего квантовых вычислительных систем.
Для подбора общего секретного ключа, например, придётся использовать SIDH —аналог протокола Диффи–Хеллмана, основанный на блуждании в суперсингулярном изогенном графе.
Квантовое распределение ключей
Протокол подготовки и измерения
Одно из очень перспективных направлений – протокол квантового распределения ключа. Один из известных протоколов – BB84 – был предложен ещё в 1984 году Чарльзом Беннетом и Жилем Брассаром. Он работает за счёт фундаментального ограничения, наложенного теоремой о запрете клонирования.
Носителями информации являются фотоны в четырёх различных квантовых состояниях. Обычно подразумевается поляризация под углами 0°, 45°, 90°, 135°. С помощью измерения можно различить только два ортогональных состояния:
При этом невозможно за одно измерение отличить фото с горизонтальной поляризацией от фотона, с углом поляризации 135°.
Если канал не подслушивается, то Алиса и Боб смогут подобрать общую скоррелированную строку случайных бит, которую можно будет использовать уже в классических схемах симметричной криптографии. Если часть фотонов перехватывает, измеряет и ретранслирует Ева, то в канале начинают расти измеримые ошибки. По оценкам, если ошибки в канале не превышают 11%, то это значит, что у Евы нет достаточного количества данных для получения ключа. Если же измеренный уровень ошибок превышает описанный уровень, то алгоритм подбора ключа начинается сначала.
В 1989 году Беннет и Брассар в Исследовательском центре IBM построили первый работающий прототип этой системы, а уже в 2011 году в Токио прошла демонстрация проекта «Tokyo QKD Network» с безопасной передачей данных на 45 километров по обычному оптоволокну.
В июне этого года запустили квантовую линию связи между Москвой и Санкт-Петербургом протяженностью 700 километров. Проект реализовывает РЖД.
Протоколы, основанные на запутанности
«Мо-цзы» – китайский спутник, который предназначен для передачи квантовой информации
Другой способ связан с запутыванием фотонов и передачей одной части такой пары Алисе, а другой – Бобу. При перехвате происходит коллапс волновой функции, что приводит к невозможности незаметного перехвата данных. Проблема этой технологии в сложности доставки запутанной пары всем участникам, так как никакие ретрансляторы в этом случае невозможны.
Совместный эксперимент Китайской академии наук и Австрийской академии наук позволил поднять квантово-защищённый канал связи между Веной и Пекином. При этом само сообщение передавалось по открытым каналам шифром Вернама, а ключами к расшифровке стали квантовые состояния запутанных фотонов.
Квантовая защита vs. квантовое нападение
Опасность для современной криптографии возникает из-за возможности реализовать на квантовом компьютере эффективные алгоритмы для факторизации, что несет угрозу для криптографии с открытым ключом, а также в плане ускорения поиска по неупорядоченным базам данных. Масштаб проблемы существенный: более 90% данных, передаваемых в интернете, станут открытыми при появлении квантового компьютера. Криптографические стандарты, например для электронных подписей, необходимо будет пересматривать.
Эпоха квантовых компьютеров предполагает два подхода к защите информации. Во-первых, это квантовое распределение ключей. Оно основано на кодировании информации в одиночные квантовые состояния. Во-вторых, решением является постквантовая криптография — набор криптографических алгоритмов, криптоанализ которых имеет сравнимый уровень сложности для классических и квантовых компьютеров.
Технология квантового распределения ключей уже готова к промышленному использованию, необходимы ускорение темпов адаптации технологий крупными компаниями и строительство городских сетей. Постквантовая криптография также уже готова для внедрения решений по защите широкого спектра приложений (мобильные, веб-приложения, цифровые подписи и т.д.). Прогресс в области квантовых компьютеров является очевидным драйвером для внедрения новых технологий защиты информации. Например, в США уже сейчас принят Акт квантовой кибербезопасности, регламентирующий переход на решения, устойчивые по отношению к атакам с квантовых компьютеров. В России ведется работа по стандартизации квантово-устойчивых алгоритмов. Их масштабное внедрение — это также вопрос ближайших трех—пяти лет.
Вовлеченность университетов
Университеты и научно-исследовательские центры — активные участники исследований и разработок в сфере квантовых вычислений, поскольку обладают значимыми ресурсами: квалифицированным научно-исследовательским персоналом, наработками фундаментальных исследований, необходимой инфраструктурой, государственными грантами, а также возможностью привлечения частных компаний в процесс исследования и разработок. В Таблице 1 указаны наиболее финансируемые университеты с сильными исследовательскими командами на 2022 год. При рассмотрении университетов с академической точки зрения (получения степени в сфере квантовых технологий) неоспоримое лидерство находится у США. Американские университеты занимают все места ТОП-10.
Табл. Университеты с финансируемыми исследовательскими программами.
О результативности вовлечения университетов в квантовые исследования можно судить по их патентной активности (Рис.1). Имеющиеся данные позволяют оценить участие и других стран. Стоит отметить значительную вовлеченность Китая и Республики Корея, научно-исследовательские команды которых проявляют высокую результативность в фундаментальных исследованиях квантовых технологий.
Рис. Количество патентов в сфере квантовых вычислений за 2015–2017 гг.
С каждым годом все больше университетов вовлекаются как в процесс исследований и разработок в рассматриваемой сфере, так и получают финансирование для подготовки квалифицированных кадров, что позволяет сделать вывод о развитии фундаментальных и прикладных знаний в сфере квантовых технологий, а также об увеличении квалифицированного персонала как в научно-исследовательских организациях, так и в корпоративном секторе.
«Дорожные карты» в квантовое будущее
В России основным драйвером развития квантовых технологий являются «дорожные карты», которые сейчас активно реализуются по направлениям квантовых вычислений и коммуникаций под кураторством «Росатома» и РЖД.
Результатом проектов в рамках «дорожной карты» по квантовым вычислениям в России уже стали два квантовых компьютера с 16 кубитами: один из них построен на ионной платформе, а другой — с использованием атомов. Также разработаны процессоры на сверхпроводниках и фотонах.
Проект по ионному квантовому компьютеру обладает важной особенностью. Благодаря поддержке в рамках проекта ЛИЦ (Лидирующего исследовательского центра «Квантовые вычисления». — «РБК Тренды») и «дорожной карты» удалось реализовать кудитный квантовый процессор — новый способ построения масштабируемых квантовых компьютеров.
Следующие шаги — увеличение количества кубитов или кудитов, а также точности квантовых операций и демонстрация квантовых алгоритмов. При этом многие российские компании уже проявляют интерес к внедрению квантовых технологий.
Промышленные решения для квантового распределения ключей уже используются для построения магистральных и корпоративных квантовых сетей.
В заключение нужно сказать, что сама идея появления квантовых технологий уже необратимо изменила мир. Масштаб изменений трудно прогнозировать на сегодняшнем, уже значимом, но все еще достаточно раннем уровне развития. Вспоминая ранний этап развития полупроводниковой эры вычислений, можно задаться вопросом: хватит ли миру пяти квантовых компьютеров? Очевидно, что нет, так как уже сейчас их количество исчисляется десятками. Полезное же квантовое превосходство будет стимулировать переход к индустриальному производству — для этого будет достаточно и одного реального кейса применения квантовых компьютеров с экономическим эффектом.
От идеи до технологического превосходства
Квантовые компьютеры представляют собой класс вычислительных устройств, которые используют для обработки информации явления, характерные для отдельных квантовых систем, таких как атомы, ионы, фотоны и др. Ключевыми для квантовых вычислений являются суперпозиция — возможность квантовых систем быть «одновременно» в нескольких состояниях — и квантовая запутанность, проявляющаяся во взаимосвязи между квантовыми объектами.
Элементарными информационными единицами при работе квантового компьютера являются кубиты — квантовые «аналоги» классических битов информации. Как раз благодаря явлению квантовой суперпозиции кубиты могут быть и логическим нулем, и логической единицей одновременно (в отличие от классических битов, которые могут быть лишь в одном из этих состояний).
Идеи квантовых компьютеров появились в начале 1980-х годов в работах советского математика Юрия Манина, британского математика и физика Дэвида Дойча, а также американского физика Ричарда Фейнмана. Уже в середине 1990-х появились первые квантовые алгоритмы для работы на будущих квантовых компьютерах, которые заинтересовали бизнес. Например, оказалось, что с помощью квантовых компьютеров можно будет взламывать современные криптографические алгоритмы.
В определенных классах математических задач квантовые компьютеры могут продемонстрировать существенное превосходство над классическими технологиями. Примерами задач являются криптоаналитика, моделирование сложных систем, обработка больших данных (big data) и др. Существующие на данный момент квантовые компьютеры обладают десятками и сотнями «шумных» кубитов, что не дает возможности полностью раскрыть потенциал их использования. Однако такие компьютеры уже способны на определенных тестовых математических задачах обгонять суперкомпьютеры. Например, на решение тестовой задачи квантовому компьютеру хватает нескольких часов или минут, тогда как на классическом оно заняло бы больше 45 лет. При этом уже сейчас есть возможность решать прикладные задачи небольшого масштаба, например из области химии и машинного обучения.
Ключевую роль для полезного квантового превосходства играет решение двух принципиальных задач. Во-первых, создание квантового процессора с большим количеством кубитов и низким уровнем ошибок. В одном сценарии это станет возможным благодаря прогрессу уже существующих систем, а в другом потребует поиска или разработки новых физических платформ для квантовых вычислений. Во-вторых, необходимо значительно расширить класс квантовых алгоритмов для решения прикладных задач. Прогресс движется по каждому из направлений, поэтому на масштабе четырех-пяти лет можно ожидать первые примеры применения квантовых компьютеров для полезных задач.
В качестве одного из потенциальных направлений для квантового превосходства можно рассматривать машинное обучение. Над применением квантовых компьютеров для задач искусственного интеллекта работают ведущие научные группы по всему миру. Например, ученые из Российского квантового центра вместе с сингапурской компанией «Геро» разработали квантовый алгоритм машинного обучения для поиска новых типов лекарств, что позволило найти более 2 тыс. новых молекул с лекарственными свойствами.
