Технологии, основанные на принципах квантовой механики, уже применяют для разработки решений, которые выведут инновации на новый — квантовый — уровень. Расскажем, как кванты выходят из лабораторий и становятся частью цифровой экономики.

В ХХ веке первая квантовая революция подарила миру транзисторы, лазеры, интегральные схемы и мобильную связь. Вторая волна практического применения квантовых технологий уже близко и включает несколько направлений. Перспективными для бизнеса могут быть три: квантовые вычисления (компьютеры), защищенные квантовые коммуникации и квантовые сенсоры.

Статья подготовлена вместе с Владимиром Елисеевым — руководителем Центра научных исследований и перспективных разработок ОАО «ИнфоТеКС».

Квантовые вычисления: грядет эпоха квантовых компьютеров

Что это. Если не вдаваться в научные подробности, квантовый компьютер — устройство, работа которого базируется на преобразовании квантовых состояний индивидуальных частиц с последующим измерением результата. Для решения задач он применяет не классические алгоритмы, а квантовые.

В традиционных ЭВМ наименьшей единицей хранения информации является бит. В него можно записать одно физическое состояние — либо 0, либо 1. В квантовом компьютере эту функцию выполняет кубит (от quantum bit, квантовый бит). Он может находиться в суперпозиции, то есть сразу в двух состояниях одновременно. Поэтому квантовый компьютер способен обрабатывать многовариантные состояния, а обычный просчитывает каждый вариант отдельно.

Зачем нужны. В перспективе квантовые компьютеры способны решать сложнейшие вычислительные задачи, которые обычные компьютеры решают медленно — десятки и сотни лет, например:

  • моделировать воздействие на организм новых лекарств на молекулярном уровне;
  • обрабатывать очень большие данные;
  • моделировать различные природные и технические процессы;
  • проектировать сверхлегкие, сверхпрочные материалы и сверхпроводники, работающие при комнатной температуре;
  • быстро раскладывать сложные числа на простые множители, что позволит взламывать многие современные криптографические шифры.

В будущем квантовые вычисления будут применять в самых разных сферах — везде, где обычные компьютеры будут работать медленнее и выдавать больше ошибок. Например, для управления движением транспортных средств (воздушных, морских, наземных), прогнозирования погоды, предупреждения чрезвычайных ситуаций, в оборонной, горнодобывающей и автомобильной промышленности, медицине и других отраслях.

Что уже разработано. Большинство созданных к 2019 году систем далеки от тех впечатляющих возможностей, которые заявлены для квантовых компьютеров, и могут решать только ограниченный круг задач. Поэтому их называют квантовыми симуляторами, или адиабатическими компьютерами.

Для нашего времени даже придумали специальный термин — эра NISQ (noisy intermediate-scale quantum) devices, или шумных промежуточных квантовых устройств. Кубиты неустойчивы, любое внешнее воздействие может влиять на точность вычислений. Поэтому в идеале их следует изолировать от окружающей среды, то есть любого «шума». Например, сейчас блок с набором кубитов охлаждают почти до температуры абсолютного нуля и экранируют от внешних электромагнитных воздействий. Это создает определенные технические сложности при производстве квантовых компьютеров.

Примером квантовых симуляторов являются устройства канадской компании D-wave Systems. В линейке устройств D-wave Systems есть системы мощностью от 16 до 2 000 кубит, также было анонсировано 5000-кубитное устройство. В исследовательских целях такие компьютеры уже закупили NASA, Volkswagen, научно-исследовательская лаборатория в Лос-Аламосе, Google и Lockheed Martin.

«Сейчас наши компьютеры — это скорее своеобразные тренировочные «игрушки», чем гарантированно полезный с практической точки зрения инструмент. Все наши покупатели используют их для того, чтобы выяснить, насколько они могут давать им что-то новое», — замечает Павел Бунык, главный конструктор архитектуры процессоров D-Wave в интервью для портала N+1.

Универсальные компьютеры, подходящие для решения различных задач (их можно считать «настоящими» квантовыми компьютерами), разработала компания IBM. В 2019 году она обновила свою коммерческую квантовую вычислительную систему, увеличив ее производительность в два раза: до 53 кубитов, тогда как старые модели были построены на 20 кубитах. Эта квантовая система модернизирована для работы в облачной среде. Однако даже после этого рано считать, что квантовые компьютеры уже вот-вот заменят обычные — пока они слабее традиционных.

«Квантовые компьютеры в теории могут за минуты решать задачи, на которые обычному компьютеру понадобятся десятки и сотни лет. Однако существующие квантовые вычислительные системы пока еще так не могут. Поэтому для разработчиков актуальна проблема достижения квантового превосходства — способности квантовых устройств работать быстрее обычных и решать более сложные задачи. Для этого нужно создать многокубитные чипы, которые покажут нулевое значение ошибок. Это сложно, ведь чем больше кубитов, тем выше вероятность, что они будут влиять друг на друга и что внешние воздействия будут создавать для них существенные помехи», — объясняет Владимир Елисеев, руководитель Центра научных исследований и перспективных разработок ОАО «ИнфоТеКС».

В октябре 2019 года о достижении квантового превосходства заявила Google. По результатам исследования, их 54-кубитная система Sycamore за 200 секунд решила задачу, на которую у самого быстрого суперкомпьютера ушло бы 10 000 лет. В IBM к заявлению отнеслись скептически: там считают, что классический компьютер мог выполнить эти вычисления за 2,5 дня, и был бы точнее.

Нужно отметить, что сам предмет обсуждения — эффективность квантового компьютера — пока находится в стадии дискуссии, хотя нельзя отрицать значительных успехов компании Google в развитии технологий квантовых вычислений.

Сейчас индустрия развивается и к квантовым компьютерам стоит присмотреться. По прогнозу Market Research Future, среднегодовой темп роста рынка квантовых вычислений в 2018-2023 годах составит 34% и достигнет 2,82 млрд долларов.

Квантовые коммуникации: защищенная передача информации

Что это. Квантовые коммуникационные сети подразумевают передачу квантовой информации между двумя удаленными в пространстве квантовыми системами способом, защищенным от злоумышленников. И ученые в этой области добились больших успехов, чем в разработке универсального квантового компьютера.

Главное преимущество защиты данных в квантовых коммуникационных сетях базируется на способе получения секретного ключа, секретность которого основана на неделимости кванта и невозможности скопировать квантовое состояние, то есть на законах квантовой физики.

Ключ не передается в непосредственном виде, подобно тому, как передается классическая информация. Секретный квантовый ключ образуется у двух пользователей в процессе передачи и измерения квантовых состояний, например, с помощью поляризованных фотонов.

Иногда данный подход называется квантовой криптографией. При этом надо понимать, что шифрование осуществляется классическими алгоритмами, ключ для которых распределен квантовым образом.

Зачем нужны. Интерес к квантовым коммуникациям отчасти связан с развитием big data — все эти большие данные нужно обрабатывать и передавать с высокой скоростью и защищенным способом. По прогнозам IDC, к 2020 году почти 40% данных будут обрабатываться с использованием облачных сервисов. Это существенно увеличит потребность в квантовых коммуникациях и шифровании, поскольку значительное количество передаваемых в облако данных должно быть защищено.

Современные средства шифрования используют ключи, секретность которых основана на том, что классические компьютеры не могут решить задачу о разложении большого числа на простые множители. Однако для квантовых компьютеров Питер Шор в 1994 году придумал квантовый алгоритм, в котором происходит не последовательный перебор возможных решений, а параллельный. Квантовый компьютер достаточной мощности справится с задачей разложения большого числа на множители за секунды. Это сразу поставит под угрозу все защищенные каналы связи и все виды электронной подписи в мире, использующие асимметричные криптографические алгоритмы и протоколы.

Квантовая криптография может применяться для защиты данных в коммуникационных сетях различного назначения, включая спутниковые каналы передачи данных. Большие перспективы откроет появление устройств квантовой криптографии на рынке для владельцев ЦОД, банков, телекоммуникационных компаний, интернет провайдеров. Для этих отраслей они будут особенно удобны, ведь новые ключи будут генерироваться в автоматическим режиме, что значительно повысит уровень защищенности данных от взлома.

Альтернатива квантовой криптографии — семейство математических методов, предлагающих асимметричные криптографические алгоритмы, не подверженные атаке с помощью квантового алгоритма Шора и называемые по этой причине постквантовыми. Это направление интенсивно развивается, однако эксплуатационные свойства постквантовых алгоритмов (размер ключа, вычислительные затраты на выполнение криптографических операций) пока не подходят для использования на практике. Кроме того, нет гарантии, что не появится новый классический или квантовый алгоритм, взламывающий постквантовые шифры так же легко, как алгоритм Шора, шифры RSA и протокол Диффи-Хеллмана.

Что уже разработано. Передавать информацию «квантовым» способом получается с помощью коммуникационных сетей, которыми уже располагают некоторые страны. Например, в Китае построена квантовая коммуникационная сеть Пекин-Шанхай протяженностью 2000 км, ее расширяют, прокладывая аналогичные линии между другими городами. Для передачи информации используют протоны, которые невозможно разделить, их квантовое состояние нельзя клонировать. Таким образом, нет никакой возможности прослушивать линию.

Проблема использования таких сетей в том, что фотоны могут поглощаться атмосферой или материалами, из которых изготовлены кабели, поэтому обычно они не перемещаются на расстояние более пары десятков километров, максимальная дальность передачи на эксплуатируемых телекоммуникационных сетях — около 100 км. На линии приходится строить узлы, где сигналы расшифровываются и снова зашифровываются перед отправкой дальше. К примеру, на линии Пекин-Шанхай таких узлов 32.

Поэтому ученые пытаются использовать для передачи данных квантовую запутанность — феномен, при котором две частицы настолько взаимосвязаны, что по одной можно понять состояние другой, вне зависимости от того, какое расстояние их разделяет.

В 2017 году китайский спутник «Мо-цзы» побил рекорд дальности квантовой запутанности, передав информацию на 1200 км, а в 2018 году во время эксперимента был передан квантовый ключ шифрования между обсерваториями в столицах КНР и Австрии. Технология квантовой запутанности пока относится к экспериментальным.

Над квантовыми коммуникационными сетями и системами передачи ключей работают не только в Китае, но и в Европе, и в России. В декабре 2017 года Сбербанк и РКЦ запустили квантовую сеть протяженностью 25 км. То, как она работает, можно было увидеть на Петербургском международном экономическом форуме, где провели видеоконференцию между руководителями Сбербанка, Газпромбанка и компании PwC Russia.

В сентябре 2019 года Казанский квантовый центр, «Ростелеком» и «Таттелеком» успешно провели эксперимент по распределению квантовых ключей на волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) протяженностью 143 километра. В этом эксперименте использовался криогенный однофотонный детектор российского производителя СКОНТЕЛ и система квантового распределения ключей университета ИТМО.

Швейцарские разработчики ID Quantique предлагают два типа систем, подходящих для работы в обычных городских волоконно-оптических сетях. Они позволяют передавать квантовые ключи на расстояние до 70 км. Аналогичные и даже лучшие по характеристикам системы есть и у российских разработчиков: компаний «ИнфоТеКС», QRate и университета ИТМО. В них максимальное расстояние квантового распределения ключей достигает 100 км.

Квантовое шифрование можно применять для любых видов связи. Например, специалистами компании «ИнфоТеКС» и Центра квантовых технологий МГУ разработан телефон с квантовым шифрованием. Он шифрует голосовой трафик между собеседниками так, что получить к нему доступ невозможно.

Важно не забывать, что квантовая криптография имеет прямое отношение к защите информации, а потому должна проектироваться и проверяться на соответствие характеристикам, заявленным производителями. Проверку должны проводить регуляторы, имеющие квалификацию и соответствующие методики. Иначе может получиться так, как было с ранними системами ID Quantique, которые удалось взломать группе энтузиастов.

По прогнозу Markets and Markets, ожидается, что объем мирового рынка квантовой криптографии вырастет со 101 миллиона долларов в 2018 году до 506 миллионов долларов к 2023 году при среднегодовом темпе роста 37,9%. Как считают аналитики CIR, квантовый интернет быстро становится реальностью, и к 2023 г. принесет 3,7 млрд долларов в виде оборудования и услуг.

Квантовые сенсоры: миниатюрные и чувствительные датчики

Что это. Квантовые сенсоры — высокочувствительные приборы, основанные на регистрации индивидуальных квантовых эффектов, то есть квантовых эффектов, касающихся отдельных квантовых систем. Примерами таких сенсоров будут лавинный однофотонный детектор и квантовый датчик случайных чисел.

На практике давно используют коллективные квантовые эффекты, которые основаны на участии в них большого числа квантовых объектов: электронов, атомных ядер, нейтронов, фотонов и других. Именно на их основе работают транзисторы, диоды и микросхемы, так мы получаем действие, осязаемое на макроскопическом уровне, например, видим луч лазера или регистрируем ток в полупроводниках компьютера. Разработать приборы, которые улавливают изменения в отдельных квантовых системах на уровне микромира, намного сложнее.

Зачем нужны. Квантовые сенсоры невероятно миниатюрные и чувствительные. Большие перспективы ждут их в медицине и биологии: анализ генома, диагностика заболеваний, в том числе онкологических, исследование процессов, происходящих в теле человека, внутренних органов, тканей, клеток и молекул.

Кроме того, высокочувствительные датчики нового поколения будут применять и в других областях: навигация (космическая отрасль, беспилотный транспорт), оборона и безопасность, геологоразведочные работы, нефтедобыча и строительство, технологии интернета вещей.

Что уже разработано. Интересную разработку создали ученые США, Канады и Германии. Исследователи реализовали квантовый гравиметр, который поможет в поиске нефти и других полезных ископаемых. Устройства с ним смогут обнаружить пустоты под землей, что сделает работу в шахтах безопаснее.

Другим примером коммерциализации этих приборов служит счетчик фотонов, разработанный под руководством Григория Гольцмана, профессора Московского педагогического государственного университета (МПГУ) и сооснователя компании СКОНТЕЛ. Его использует РКЦ для своих разработок в сфере квантовой криптографии.

Особенность применяемой системы квантовой криптографии в том, что сигнал кодируется на одиночных фотонах, когда один бит записывается на один фотон. Детекторы очень чувствительны, они с высокой вероятностью показывают, когда фотон есть, и не показывают шум, когда фотона нет.

Квантовые сенсоры могут использоваться в системах квантовой криптографии для обеспечения случайности квантовых ключей. Например, квантовый генератор случайных чисел, который создали физики МГУ в 2017 году. Он работает с высокой производительностью и обеспечивает непредсказуемость ключей, гарантированную законами квантовой механики.

Среди зарубежных разработчиков квантовых сенсоров можно выделить три компании: Microsemi Corp. (США), Oscilloquartz S.A. (Швейцария), Supracon AG (Германия).

По оценке BCC Research, объем рынка квантовых сенсоров вырастет с 161 млн долларов в 2019 году до 299.9 млн долларов в 2024 году, то есть он растет на 13.2% ежегодно.
Что еще почитать по теме:
  1. Квантовые вычисления без квантового компьютера.
  2. Кудиты вместо кубитов: новые «кирпичики» для квантовых вычислений.
  3. Подробнее о квантовой криптографии и защите данных.