Журнал об IT-бизнесе, технологиях и цифровой трансформации

Как развиваются квантовые технологии в России и за границей Mail.ru Cloud Solutions
Mail.ru Cloud Solutions

Как развиваются квантовые технологии в России и за границей

Популярное

Цифровая экономика подкинула нам новые термины, понятия и определения. Мы уже свыклись с такими словосочетаниями, как искусственный интеллект, машинное обучение, интернет вещей. Но есть технологии, которые даже для специалистов являются экспериментальными, — это квантовые вычисления.

Алексей Федоров, руководитель группы Российского квантового центра, рассказал, что такое квантовые технологии, зачем нужны квантовые компьютеры и сможет ли Россия встроиться в новую технологическую революцию.

Видеоинтервью смотрите здесь.

Что такое квантовые компьютеры и есть ли они на самом деле

В СМИ много пишут о создании опытных квантовых компьютеров. Так, канадская фирма D-Wave еще в 2017 году анонсировала первый квантовый компьютер стоимостью 15 млн долларов. Однако многие специалисты-физики говорят: квантовый компьютер — пока теория. Что на самом деле?

Многое зависит от целей ученых или разработчиков. D-Wave анонсировала коммерческий компьютер с определенной стоимостью, решающий полезную задачу, они ориентированы на взаимодействие с индустрией. Лучшие кейсы по квантовым вычислениям, которые можно найти на сайте D-Wave, — это работа с другими компаниями, например, Volkswagen.

К компьютеру D-Wave много вопросов: является ли он квантовым, какую роль в нем играют квантовые эффекты? Но у компании есть цель зарабатывать деньги и развивать компанию, есть серьезный прогресс за последние годы.

В 2010 году их компьютер был на обложке журнала Time, уже тогда было понятно, что это прорывная технология. У D-Wave есть определенная разработка, построенная на основе квантовой технологии сверхпроводниковых кубитов.

У обычных компьютеров минимальное количество информации — это бит, а у квантовых — кубит. Число кубитов — один из показателей мощности квантового компьютера.

Получается, сейчас нет четкого определения, что считать квантовым компьютером? Нет стандарта?

Есть общее представление о том, что такое квантовый компьютер. Даже у тех ученых, который говорят, что это теория. Простыми словами, квантовый компьютер — совокупность методов решения вычислительных задач, основанных на анализе свойств квантовой системы.

Поведение индивидуальных квантовых систем сильно отличается от поведения макроскопических объектов, которые нас окружают. На основе анализа квантовых явлений можно строить вычислительные системы различного типа, где информация кодируется в квантовое состояние. Есть квантовые эффекты, проявляющиеся на уровне микромира, если они используются для решения задач, это явный признак — вычислительное устройство является квантовым компьютером.

Квантовый компьютер в каком-то виде сейчас существует?

Конечно. Есть прототипы квантовых компьютеров определенного масштаба. Для той эры, в которой мы сейчас находимся, придумали специальное название: NISQ — «шумные промежуточные квантовые устройства». Они есть, например, у IBM.

Алексей Федоров, руководитель группы Российского квантового центра, рассказывает блогу «Завтра облачно» о будущем квантовых технологий.

Квантовые технологии в России

Какое место занимает сейчас Российская Федерация: наша наука, наши разработки, в квантовых технологиях?

Под квантовыми технологиями часто подразумевают квантовые компьютеры. На самом деле, сфера квантовых технологий шире: сюда относят и криптографию, и сенсоры, и вычисления, и коммуникации.

Типы квантовых технологий:

  • Квантовые вычисления — это про то, как лучше решать вычислительные задачи.
  • Квантовые коммуникации — про то, как передавать информацию защищенным способом.
  • Квантовые сенсоры — как извлекать информацию из окружающей среды лучше, чем классическими технологиями.

Положение России во всех этих направлениях неоднородное. Если говорить о квантовых вычислениях, у нас есть научная диаспора российских физиков, работающих по всему миру, они являются крупнейшими специалистами в области квантовых вычислений.

Но когда российские физики работают во всем мире, уже сложно признать их работающими на Россию.

Это вопрос конвертации работы с этим сообществом. Например, в Китае 5–7 лет назад ситуация с квантовыми технологиями была хуже, чем сейчас. Но они запустили масштабную программу «Тысячи талантов», направленную на то, чтобы взрастить людей внутри страны и создать специальные условия тем, кто хочет вернуться из-за границы. Эта программа позволила конвертировать наличие мирового комьюнити в рост технологий внутри страны.

У России огромный потенциал, но его надо во что-то конвертировать, использовать этот большой и недооцененный ресурс. Положение дел с технологиями в России не такое драматически плохое, как его обычно воспринимают: есть люди, научные центры, сообщество, кадры, экспертиза, экспериментальные базы.

В определенных направлениях квантовых технологий можно получить результат, близкий к мировому.

Чем мы отличаемся от иностранных партнеров? Какие у них преимущества? Может быть, финансирование?

Да, финансирование, причем не государственное, а частное, где нужно понимание конечной задачи. Для научного сообщества важен баланс между академической свободой и целью, ради которой дают коммерческие деньги. Если посмотреть на ученых, работающих в Google, они сфокусированы на решении нужных бизнесу задач. Поддержка со стороны индустрии, востребованность результатов, которые будут получены, — важные преимущества.

Здесь я согласен с Жоресом Алферовым, одним из последних нобелевских лауреатов, живших в России. Он сказал, что колоссальная трагедия российской науки — это не недостаток финансирования, а невостребованность научных результатов экономикой и обществом.

Востребованность квантовых вычислений, коммуникаций, сенсоров экономикой и обществом дало бы сильный импульс к развитию. За границей этот импульс есть: IBM, Microsoft, Intel, Alibaba, Nokia, NASA — они заинтересованы в новых технологиях.

Квантовые технологии в мире: кто является лидером

А кто держит пальму первенства в квантовых технологиях? США, Канада, Китай?

Это глобальная гонка, первенство зависит от направления. Основная экспертиза в квантовых вычислениях в Северной Америке: Соединенные Штаты и Канада. Хорошая экспериментальная база в Европе, ее догоняет Китай. Это три крупнейших игрока на этом рынке.

В квантовых коммуникациях — передаче информации при помощи квантовых объектов, позволяющей делать систему защищенной, распределять криптографические ключи — лидером будет Китай. Северная Америка значительно от него отстает. Китай первым запустил спутник для квантовых коммуникаций, в стране быстро развивается эта технология, в том числе с коммерческой точки зрения.

Квантовые сенсоры развиваются неоднородно, это слишком большая область, чтобы ее усреднить и выделить однозначных лидеров.

В России самое сильное направление — квантовые коммуникации, их на высоком уровне развивают три или четыре команды. С квантовыми вычислениями отставание от мирового рынка сильнее, чем в квантовых коммуникациях.

Есть ли необходимость — экономическая, политическая или любая другая — в том, чтобы соперничать в технологиях?

Это вопрос глобальной конкурентоспособности в мировых технологиях будущего. Современное общество оперирует информацией. Все наши процессы сегодня — обработка информации. Квантовые технологии — это новый шаг. Если не иметь к ним доступа, это стратегически плохо с точки зрения экономики и качества жизни людей. Развитие квантовых вычислений — стратегический приоритет.

Например, в классических вычислительных технологиях Советский Союз отстал в полупроводниковой электронике, что значительно повлияло на российскую экономику. Сильные позиции в квантовых технологиях в России могут привести к росту экономики, это возможность, которую не стоит упускать.

А что повлияло на развитие этого рынка? Это были вопросы национальной безопасности?

Стратегические объекты критической инфраструктуры нужно защищать так надежно, насколько это возможно. В Китае, лидере сферы квантовых коммуникаций, есть проект защиты электросетей от хакерских атак при помощи квантовых устройств. Они понимают, что один час электричества стоит им дорого, хотят защитить критически важную инфраструктуру. И в России происходит также. Но хорошо, что у нас есть потенциал, чтобы не просто развить технологии внутри страны, а быть поставщиком этой технологии в мире.

Например, Россия поставляет оружие, в том числе сложные программно-аппаратные комплексы. Их вычислительная инфраструктура требует проактивных средств защиты информации. Структурой будущих средств защиты информации может быть и технология квантовой коммуникации. Она подходит для решения стратегических задач в этой области.

Внедряя новые технологии в привычные секторы, где Россия уже производит и продает что-то, можно открывать новые рынки наукоемких технологий и увеличивать доходы государства от этой области.

К 2023 году у нас может быть 8% мирового рынка на рынке квантовых коммуникаций. Стоит взять сегмент, в котором мы сильны, и сфокусироваться на его развитии внутри страны, чтобы сделать продукт с привлекательным экспортным потенциалом.

Алексей, что вы скажете по поводу назначенных лидеров по сегментам квантовых технологий: РЖД, «Росатом», «Ростех»? Они все в какой-то степени неожиданны: где РЖД — и где квантовые коммуникации?

У РЖД большая инфраструктура оптоволоконных сетей передачи данных, которые идут вдоль железнодорожных путей. Эту инфраструктуру сейчас используют для решения одних задач, но она может помочь решить дополнительные задачи при помощи устройств квантовой коммуникации. РЖД работают с этой инфраструктурой, понимают, как она устроена, также их экспертиза в умении привлекать нужных разработчиков.

Роль бизнеса в развитии квантовых технологий

За рубежом бизнес стимулирует ученых. Как с этим в Российской Федерации?

В России бизнес участвует в развитии науки не в том масштабе, в котором это необходимо. Есть разрыв в коммуникациях: ученые не до конца понимают, что будет полезно для экономики, бизнес не до конца понимает, в чем польза квантовых вычислений, кроме как для решения локальных задач.

Для сравнения, у Google многолетняя стратегия развития. В какой-то момент они поверили в квантовые технологии, поняли, что им это необходимо, и купили университетскую лабораторию: все оборудование перевезли к себе. В России такого быть не может, хотя бы потому, что индустрия, заинтересованная в развитии квантовых технологий, меньше связана с индустрией информационных технологий в принципе.

Крупные игроки на рынке России — софтверные компании, которые не получат быстрого профита от развития железа в квантовую сторону. Крупные производственные компании тоже не получат супербыстрых результатов, если начнут развивать квантовые технологии.

Проблему с разрывом в коммуникациях нужно решать, ученые и разработчики должны быть готовы развивать квантовые технологии, применимые к конкретным технологическим процессам бизнеса. А компании должны быть открыты к диалогу, также нужна поддержка государства.

Цепь стратегического развития квантовых технологий — взаимодействие между теми, кто разрабатывает (учеными), теми, кто потребляет (бизнесом, заказчиками), и теми, кто поддержит стратегическую составляющую (государством).

Кажется, что цифровая экономика формируется принудительно, что экономический эффект сложно сформулировать, потому что все заинтересованные стороны, в частности компании, не понимают, зачем это нужно. Бизнес видит, что цифровая экономика возникла в 2017 году после заявления президента, все бегут в эту сторону, но неясно зачем. Есть такая проблема, как вы считаете?

Цифровая экономика — широкое понятие, ситуация неоднородная в рамках разных технологий. Какие-то изначально хорошо развиты в России, какие-то сильно отстают.

Если сфокусироваться на квантовых технологиях, ситуация благоприятная. Есть разработчики-энтузиасты, которые хотят решать задачи, востребованные в экономическом плане, работать под потребности конечных заказчиков.

История квантовых вычислений — это не только «давайте мы возьмем кубиты из атомов и ионов и что-нибудь с ними сделаем». Строится целый стек: есть ученые, инженеры, программисты, каждый из которых решает свои задачи. В итоге мы получаем часть фундаментальной науки и много наукоемких технологий, есть запрос к индустрии: облачный доступ к квантовым компьютерам, решение востребованных задач на квантовых компьютерах и так далее.

Вся идея развития квантовых технологий в том, чтобы лет через пять квантовые вычисления дошли до конечного потребителя в сферах образования, промышленности, информационных технологий и многих других.

Есть мнение, что ученое сообщество оторвано от реальности, поэтому для развития нужны люди с рынка: ученые не понимают перспектив бизнеса и его стратегических задач, видят развитие технологий как список научных исследований, докторских диссертаций. Что вы, как ученый, думаете по этому поводу?

Должны быть талантливые управленцы, должны быть талантливые люди с рынка, должны быть талантливые ученые. Успех экономической, технологической, научной дисциплины возможен только совместными усилиями. Нельзя привести человека с рынка и заставить управлять тем, в чем он не понимает. Поэтому важно мотивировать научное сообщество разбираться в проблемах рынка.

Также есть молодые ученые, которым меньше 30 лет, они понимают рыночные термины, в какую сторону развиваться, в чем конкурентные преимущества технологий. Управлением в квантовых технологиях должны заниматься люди с естественно-научным бэкграундом, которым интересно внедрять технологии.

Какие квантовые технологии уже используют в реальности

Какие квантовые технологии сейчас находятся в наибольшей фазе проработки, ближе всего к рыночному применению?

На территории «Сколково» есть дата-центр компании «Сбербанк». Он соединен с другим дата-центром этого банка квантовыми связями. То есть технология уже работает, она близка к коммерциализации. При этом есть определенные барьеры, не позволяющие ее использовать не в тестовом режиме. Для полноценного запуска нужен определенный набор мероприятий, в том числе организационных, регуляторных. Однако с точки зрения технологии — это то, что сейчас работает и готово к применению.

То есть дальше всего мы продвинулись в квантовых сетях?

Да, квантовые коммуникации хорошо развиты в России. Здесь есть окно возможностей: если мы в ближайшие месяцы или годы примем стандарт, начнем сертифицировать, использовать и экспортировать такие устройства, то возможен огромный скачок. Но это вопрос буквально 2-3 лет, надо успеть за этот срок.

Например, компания Nginx, известный веб-сервер и почтовый прокси-сервер, выросла в России и быстро стала лидером в своей области технологий. Потом она перестала быть российской, но принесла России очень много.

Это вопрос рыночной экономики — кто готов предоставить компании более выгодные условия для развития. Есть страны, которые занимаются развитием стартапов, выращивают их и продают, на этом построена целая экосистема. В России креативные люди, креативный рынок, это могло бы быть хорошим решением для нас.

А вы не думаете, что нам надо самим начинать покупать стартапы?

Сильны ли мы в том, чтобы строить большие компании? Я знаю примеры российских больших компаний, но их не так много, как в США. Там есть культура выстраивания огромных компаний. А в России вырастает много интересных стартапов, которые привлекательны для инвестиций со всего международного рынка. Может быть, здесь мы сильны, и стоит использовать сильные стороны, а не пытаться конкурировать.

Если государство по-настоящему вложится и станет венчурным инвестором, почему бы ему не зарабатывать так, как другие международные венчурные инвесторы? Либо нужно создавать специальные условия, чтобы такие компании росли внутри страны.

Безопасность квантовых компьютеров: что мы можем противопоставить хакерам

Многие эксперты говорят, что за счет скорости квантовых компьютеров, квантовых вычислений, квантовых систем можно за доли секунды подбирать шифры, коды и ключи, системы становятся уязвимыми для хакерских атак. Хакеры, обладающие квантовыми компьютерами, будут способны на многое. Что мы можем им противопоставить?

Взрывной интерес к квантовым компьютерам появился, когда Питер Шор в 1994–1995 годах показал, что одна из задач, которую они решают быстро, — факторизация, разложение чисел на простые множители. На сложности этой задачи базируется криптографическая стойкость сегодняшних алгоритмов защиты информации.

Действительно, мощные квантовые компьютеры с достаточным количеством кубит — элементарных единиц, используемых для характеризации их мощности, могут быть грозным оружием в руках хакеров.

Однако современные квантовые компьютеры, о которых мы говорим, такие сложные задачи еще не могут решать. Реальное положение вещей таково: чтобы квантовому компьютеру взломать ключ, получить доступ к вашему кошельку, ему нужно примерно 8 миллионов кубитов и 10 часов вычислений. Сейчас в компьютерах максимум 70 кубитов, поэтому до реализации угрозы далеко.

При этом однажды угроза со стороны хакеров станет реальной, ряд данных нужно уже сейчас защищать с помощью методов, устойчивых к атакам с квантовых компьютеров:

  1. Первый метод — квантовые коммуникации. Если мы сегодня начнем их внедрять, то будем готовы к атакам с квантовых компьютеров, поскольку квантовый компьютер квантовую криптографию взломать не может.
  2. Второй метод — постквантовая криптография. Это новые алгоритмы криптографии, основанные на задачах, которые и квантовый, и классический компьютер решают одинаково плохо. Такие задачи появляются, в США уже проводят конкурс на разработку нового набора алгоритмов, устойчивых к атакам с квантов.

Миру есть, что противопоставить хакерам. Более того, в технологиях защиты сильны российские разработчики.

Что такое квантовый блокчейн, нужен ли он нам?

Внутри обычного блокчейна есть ряд криптографических алгоритмов, неустойчивых к атакам квантовых компьютеров. Блокчейн — распределенная база данных. Есть записи, которые помещают в блоки, эти блоки организованы так, чтобы их нельзя было постфактум изменить. Каждую запись-транзакцию подписывают при помощи асимметричных алгоритмов. Они — текущее поколение электронной подписи — строятся на примитивах, которые квантовый компьютер может взламывать.

Поэтому кванты блокчейна — попытка создать распределенный реестр и базы данных, где криптографические средства устойчивы к атакам с квантового компьютера. Это можно сделать при помощи квантовых коммуникаций.

Квантовый блокчейн — классический блокчейн, только построенный на инфраструктуре квантовых коммуникаций. Ключи, которые передают устройства квантовых коммуникаций, используют вместо подписей, что позволяет делать квантово-защищенные распределенные реестры.

Что запомнить о квантовых технологиях?

  1. Квантовый компьютер — совокупность методов решения вычислительных задач, основанных на анализе свойств квантовой системы. Есть квантовые эффекты, проявляющиеся на уровне микромира. Если они используются для решения задач, это явный признак — вычислительное устройство является квантовым компьютером.
  2. Есть три направления развития квантовых технологий: вычисления, коммуникации и сенсоры. Они относительно независимы, так что первенство в этих направлениях — у разных команд и разных стран.
  3. Востребованность квантовых вычислений, коммуникаций, сенсоров экономикой и обществом дало бы сильный импульс к развитию квантовых технологий. За границей этот импульс есть: IBM, Microsoft, Intel, Alibaba, Nokia, NASA — они заинтересованы в новых технологиях.
  4. В России самое сильное направление — квантовые коммуникации. С квантовыми вычислениями отставание от мирового рынка сильнее, чем в этой отрасли.
  5. Цепь стратегического развития квантовых технологий — взаимодействие между теми, кто разрабатывает (учеными), теми, кто потребляет (бизнесом, заказчиками), и теми, кто поддержит стратегическую составляющую (государством).
  6. В квантовых коммуникациях для России есть окно возможностей: если мы в ближайшие месяцы или годы примем стандарт, начнем сертифицировать, использовать и экспортировать такие устройства, то возможен огромный технологический скачок.
  7. Пока квантовые компьютеры не обладают достаточной мощностью, но однажды угроза со стороны хакеров станет реальной, поэтому ряд данных нужно уже сейчас защищать с помощью методов, устойчивых к атакам с квантов.
Ссылка скопирована!

Что еще почитать про ИТ-бизнес