Квантовая гонка. В Петербурге обсудили развитие технологий

Благодаря «первой квантовой революции», которая произошла в XX веке, человечество пользуется лазерами, МРТ, мобильной связью, Интернетом. Во время «второй» намерено получить: а) суперзащищенную передачу данных (квантовые коммуникации), б) возможность быстро моделировать сложнейшие процессы — например, поиск новых лекарств (квантовые вычисления), в) способность на порядки усилить точность измерений, а то и измерять пока неизмеряемое (квантовые сенсоры). В Доме журналиста в рамках дискуссионного клуба «ДК Невский, 70» ученые обсуждали, долго ли ждать появления отечественного квантового компьютера «в железе».

Квантовая гонка. В Петербурге обсудили развитие технологий | У самых мощных современных суперкомпьютеров могут уйти годы на те расчеты, с которыми квантовый компьютер справится за секунды./ФОТО Михаила Терещенко/ТАСС

У самых мощных современных суперкомпьютеров могут уйти годы на те расчеты, с которыми квантовый компьютер справится за секунды./ФОТО Михаила Терещенко/ТАСС
Защита от злого умысла

Ранее на заседании у зампреда правительства РФ Дмитрия Чернышенко (он отвечает за вопросы цифровой экономики и инноваций) прозвучало, что до 2025 года на развитие квантовых технологий федеральный бюджет может выделить до 100 млрд рублей. С условием софинансирования со стороны участников.

В России разработаны «дорожные карты» — по развитию квантовых коммуникаций (за направление отвечает РЖД), квантовых сенсоров (Ростех) и квантовых вычислений (Росатом, а основной исполнитель — созданный больше 10 лет назад Российский квантовый центр, РКЦ).
Статья по теме:
Петербургские ученые покинули НИС «Ледовая база «Мыс Баранова»

Квантовые технологии уже используются, говорит Алексей Федоров, руководитель научной группы «Квантовые информационные технологии» РКЦ, основатель проекта по квантовым вычислениям QBoard.

Например, Газпромбанк и «Газ-промнефть» уже тестируют квантовые вычисления и квантовые коммуникации. В России созданы устройства для квантового распределения ключей: когда две стороны могут создать общий случайный невзламываемый ключ, чтобы применять его для шифрования данных. Технология может использоваться в финансовой сфере, в системах определения «свой-чужой» — везде, где критически важна защита от зло­умышленников.

Квантовые коммуникации — технология, которая наиболее близка к практическому применению, уверен Игорь Наливайко, зам. генерального директора компании, занимающейся проектированием информационных и оптических сетей. Компания была создана на базе Университета ИТМО, где существует сильная научная школа оптоинформатики и фотоники. В ИТМО предложили такую систему квантового шифрования, которая позволяет использовать обычные оптоволоконные линии.

— Метод показывает высокие результаты в плане надежности систем, дальности, скорости передачи квантов света, — рассказывает Наливайко. — Наверное, мы единственная компания в России, результаты разработок которой применяются в пилотах квантовых сетей различных корпораций и компаний.

Информация, о защите которой так беспокоятся, — это не только сведения, передаваемые людьми, компаниями, банками, государственными службами и так далее. Это и данные, которыми обмениваются «умные» вещи. Интернет вещей, применимый хоть для «умной» микроволновки, хоть для атомной электростанции, расширяется. И связь «умных» вещей должна быть защищена, комментирует Игорь Наливайко:

— Когда я говорю «вещи», я имею в виду не холодильник или чайник, а беспилотные автомобили, самолеты, поезда.

К примеру, беспилотные авто должны обмениваться информацией между собой, с другими устройствами, с городской инфраструктурой. Можно себе представить коллапс в случае, если в это «общение» вклинится злоумышленник.

Профессор Михаил Сергеев, зав. кафедрой вычислительных систем и сетей ГУАП, вместе с коллегами занимается поиском так называемых идеальных матриц Адамара — для безопасной передачи информации.

— Но мы «чувствуем затылком» дыхание квантовых технологий, — говорит профессор. — У нас есть планы приобрести генератор случайных чисел, который разработан в МИСиС, он позволит нам продвинуться гораздо дальше.

С помощью этого устройства можно создавать ключи для защиты информации при ее передаче.
Кубиты и кудиты

Некоторые компании уже применяют в пилотном режиме так называемые постквантовые алгоритмы. Это тоже способ защиты данных, но не для крупной телекоммуникационной инфраструктуры, а больше для конечных пользователей:

— Мы с коллегами шутим: вполне может быть, что уже в течение двух лет пользователи смартфонов во время очередного обычного автоматического обновления получат и постквантовые алгоритмы защиты данных, — комментирует Алексей Федоров.

Использование продуктов на основе технологии квантовых коммуникаций будет расширяться, полагает он, с развитием квантовых компьютеров.

Пока самая «быстросчитающая» машина — суперкомпьютер: она за минуты справляется с вычислениями, на которые обычному компьютеру нужны годы. В свою очередь на те вычисления, которые у суперкомпьютера займут годы, у квантового компьютера уйдут секунды.

— Но сперва появляются квантовые вычислители. Это устройства, которые решают отдельную локальную задачу, — поясняет Алексей Сантьев, ведущий инженер Национального центра квантового Интернета Университета ИТМО.

Квантовый компьютер — устройство, которое может реализовывать целый спектр таких задач, однако, продолжает ученый, пока даже прорывные квантовые компьютеры, которые сейчас разрабатываются в лабораториях «Интел», IBM и других тяжеловесов, способны решать лишь отдельные узкие теоретические задачи.

У истоков теории квантовых вычислений стояли советские ученые. Нобелевский лауреат американский физик Ричард Фейнман ссылался на работы Р. П. Поплавского и Ю. М. Манина. Как упомянуто в «дорожной карте», «все Нобелевские премии по физике советских и российских ученых связаны с достижениями в области квантовой физики».

Сейчас традиционно считается, что наиболее успешны в развитии квантовых вычислений Соединенные Штаты. Однако положение несколько изменилось, полагает Алексей Федоров:

— Последние очень значимые результаты в области квантовых вычислений были получены в Китае. Эта страна обогнала Штаты по количеству патентов в области квантовых технологий.

По словам Федорова, Европа сильна научными школами и фундаментальной наукой. Козырь России, также очень серьезная научная школа, позволяет не идти проторенными дорожками, по следам американских компаний-гигантов, а делать принципиально новые элементы квантового компьютера.

Например, создавать новые типы кубитов (наименьшей единицы информации в квантовых компьютерах) — кудиты. С их использованием, в частности, сейчас работает квантовый компьютер, созданный Российским квантовым центром и ФИАН им. П. Н. Лебедева в рамках «дорожной карты» и проекта лидирующих исследовательских центров.

В отечественных лабораториях создаются квантовые компьютеры на сверхпроводниках, нейтральных атомах, ионах и фотонах. Правда, количество кубитов в них — всего лишь единицы или десятки. Но Алексей Федоров считает ключевым показателем успеха не количество кубитов, а готовность компаний использовать квантовые технологии для решения своих задач:

— Думаю, на горизонте 2025 – 2027 гг. мы это увидим. А первые квантовые алгоритмы для решения прототипов прикладных задач мы увидим даже раньше.
Химики в надежде на физиков

Квантовые технологии не отменят ныне существующие. К примеру, есть задачи, с которыми вполне справляются и классические мощные компьютеры, и тем более суперкомпьютеры. Квантовые вычисления понадобятся в тех областях, где существующие методы показывают себя как медленные и неэффективные, уверена профессор Екатерина Скорб, директор Научно-образовательного центра инфохимии Университета ИТМО. Екатерине довелось работать в Гарварде в группе самого цитируемого химика мира Джорд­жа Уайтсайдса и общаться с нобелевскими лауреатами.

Инфохимия — экспериментальное направление на стыке информационных технологий и химии. И, как говорит Екатерина, в этой области мы уже на пределе вычислительных мощностей, очень нужны альтернативные методы вычислений.

Сейчас молекула даже на суперкомпьютере может рассчитываться несколько недель, добавила профессор. Химики надеются, что физики предложат алгоритмы, которые позволят делать это быстрее и эффективнее. Это принципиально ускорит и удешевит создание лекарств и новых материалов.

Сегодня разработка лекарства стоит до 2,5 млрд долларов, а путь до аптечной полки занимает 10 – 15 лет: препарат проходит множество испытаний, сначала доклинические, потом клинические, на людях. Квантовый компьютер поможет сократить время ожидания?

— Теоретически это возможно, если считать, что будет очень сложная система и у нас будет цифровой аналог организма, — говорит Екатерина Скорб о не самой близкой перспективе. — Но встанет вопрос, готовы ли мы доверять квантовому компьютеру, который предсказал определенную молекулу, а она не проходила клинических испытаний.

Впрочем, у химиков есть и собственные идеи насчет альтернативных подходов к вычислениям и хранению информации. Клетка — это ведь тоже система, в которой информация хранится, перерабатывается, передается. Причем химические тест-системы управляются с некоторыми задачами лучше любого современного компьютера. К таким задачам относится, например… определение, наступила ли беременность.
Дорога к инвестициям

Алексей Федоров считает, что именно механизм «дорожных карт» вывел финансирование разработок на новый уровень, это позволяет по отдельным направлениям конкурировать с мировыми центрами.

— Без преобладающей доли государственного финансирования в этой области не обойтись, это показывают примеры всех стран — лидеров данной области, — полагает ученый. — Однако хотелось бы в большем объеме частных инвестиций. Это важно, потому что позволяет делать продукты, ориентированные на потребности конечных потребителей. Сейчас флагманом частного финансирования этой области выступает Газпромбанк, также Росатом вкладывает свои частные средства в рамках «дорожной карты» по квантовым вычислениям. Есть и другие примеры, однако хотелось бы видеть больше заинтересованности индустрии.

«Дорожная карта» прописана на пять лет, но Федоров считает, что для большой страны масштаб планирования научных задач может быть не только пять, но и пятнадцать, и двадцать лет. В последние годы развивались государственные механизмы поддержки науки, но если их дополнить именно долгосрочными масштабными проектами, это привлечет в российскую науку ученых.

За последние годы многие зарубежные ученые меняли свои профессорские позиции в западных университетах на позиции в России. Успешно работает прог­рамма мегагрантов: к примеру, физик Жерар Муру в свое время стал нобелевским лауреатом, уже работая руководителем мегагрантовой лаборатории в университете Нижнего Новгорода.

— Конечно, сейчас есть определенные затруднения во взаимодействии с западными коллегами — им выстроили организационные барьеры, — говорит Алексей Федоров. — Но на уровне людей желание сотрудничать остается.

https://spbvedomosti.ru/news/country_and_world/kvantovaya-gonka-v-peterburge-obsudili-razvitie-tekhnologiy/