Квантовая связь — самая близкая перспектива
Квантовые технологии делятся на три направления: вычисления, коммуникации и сенсоры. Их прогресс неравномерен. Наиболее развитой областью является квантовая коммуникация, а точнее, одна из субтехнологий — квантовое распределение ключей. Во всех ведущих странах мира уже существуют значительные заделы в этой области — магистральные квантовые сети строятся в Китае, России, Европе и Великобритании. В Китае была даже запущена спутниковая миссия для квантовой связи. С другой стороны, квантовые вычисления находятся на гораздо более ранней стадии развития. Хотя компании вроде Google и IBM заявляют о достижении квантового превосходства — способности решать задачи, недоступные классическим компьютерам, — практическое применение таких систем для решения реальных проблем пока остается делом будущего. Что касается сенсоров, то это очень разрозненная область, включающая множество технологий с разной степенью зрелости.
Говоря о замене классических компьютеров квантовыми, хочу подчеркнуть, что квантовые компьютеры не предназначены для полной замены классических. Они скорее являются специализированными вычислителями, способными эффективно решать определенные задачи подобно видеокартам в компьютерах. Даже сегодняшние квантовые компьютеры на сотни кубитов (в мире) и десятки кубитов (в России) все еще далеки от уровня, необходимого для решения многих реальных математических задач.
Что стоит на пути внедрения квантовых компьютеров
Основное препятствие на пути масштабного внедрения квантовых компьютеров —- трудность достижения высокого квантового объема, то есть баланса между количеством физических кубитов в квантовом компьютере и так называемой fidelity, то есть надежностью их срабатывания. Квантовые состояния крайне неустойчивы и подвержены декогеренции, что приводит к «разрушению» вычислительных регистров. Для поддержания стабильности требуются сложные технологические решения. Хотя, как показывает мировая практика, на уровне десятков и даже сотен кубитов это вполне возможно, масштабирование системы с добавлением каждого нового кубита остается серьезным вызовом.
Кроме того, в квантовых компьютерах необходимо реализовывать коррекцию ошибок, так как даже небольшие погрешности в операциях могут привести к некорректным результатам. Это требует резервирования части кубитов для исправления ошибок, что увеличивает общее количество необходимых кубитов. Также существуют транспортные кубиты, которые передают информацию между частями компьютера или сети. В итоге мы имеем сложную многоуровневую систему, где масштабирование — ключевая проблема.
Добавлю, что многие квантовые вычислительные устройства требуют работы при криогенных температурах, что делает оборудование дорогим и сложным в эксплуатации. Все эти факторы замедляют внедрение квантовых компьютеров.
Кто станет главным бенефициаром квантовых технологий
Первыми выгоду от квантовых вычислений, скорее всего, получат области, связанные с моделированием сложных систем. Например, в химии и фармакологии квантовые компьютеры могут ускорить разработку новых лекарств, позволяя моделировать молекулярные взаимодействия с высокой точностью. Также квантовые алгоритмы могут быть полезны в криптографии, где они способны взламывать современные асимметричные системы шифрования, что создает необходимость разработки новых методов защиты.
Кроме того, квантовые вычисления могут найти применение в логистике, оптимизации маршрутов и задачах, связанных с поиском по графам. Уже сейчас крупные компании публикуют дорожные карты, в которых описывают, как они планируют использовать квантовые технологии для решения сложных вычислительных задач.
Как растет первая российская квантовая сеть
Университет ИТМО сосредоточен на разработках в области квантовых коммуникаций, в частности, квантового распределения ключей. В партнерстве с компанией «СМАРТС-Кванттелеком» мы создали технологию для построения магистральных квантовых сетей и разработали систему мониторинга для таких сетей. Совместно с этой компанией мы реализовали систему квантового распределения ключей на основе собственного протокола с использованием боковых частот модулированного излучения.
Наши разработки легли в основу первой в России магистральной квантовой сети, которая была построена под эгидой РЖД и соединила Санкт-Петербург и Москву в 2019 году. Сейчас сеть продлена до Казани, а в планах — ее расширение до Екатеринбурга. Можно сказать, что Университет ИТМО первым начал развивать крупные квантовые сети в России.
В квантовой гонке России нужно полагаться на свои силы
Конкуренция в области квантовых технологий очень высока, и основные игроки — это США, Китай и Россия. По экспертным оценкам, Россия занимает лидирующие позиции в квантовых коммуникациях, входя в топ-5, а возможно, и в топ-3 стран мира. В квантовых вычислениях мы находимся в топ-10, и здесь есть потенциал для роста. Ситуация осложняется санкционным режимом и критической важностью этих технологий.
Китай активно включился в гонку, и рассчитывать на передачу технологических решений нам не приходится. Поэтому важно полагаться на собственные силы, одновременно взаимодействуя с международным научным сообществом, как это происходит в крупных научных проектах.
Работать в IT престижнее, чем в науке
Уровень подготовки российских специалистов по квантовым коммуникациям и вычислениям я оцениваю высоко. Многие вузы занимаются этими направлениями, и молодые специалисты уже на студенческом и аспирантском уровнях достигают очень хороших результатов. Однако, как показывают исследования, многие из них уходят из прикладных научных исследований в другие отрасли. Сейчас проблема не столько в отъезде за рубеж, сколько в том, что в IT работать гораздо выгоднее и отчасти престижнее, чем в науке. Рост молодых специалистов происходит гораздо быстрее, средние зарплаты выше, при этом требования к квалификации могут быть ниже.
Для решения этой проблемы необходимо поддерживать молодых ученых, повышать престиж научной работы, увеличивать финансирование и предоставлять социальные льготы, аналогичные тем, что уже есть в IT. И тогда ситуация будет выравниваться.
Щит и меч квантовой эры
Баланс между инновациями и ответственным использованием этих технологий — очень сложный вопрос. Например, опасность взлома криптографических систем со стороны квантовых компьютеров — не этическая, это чисто технологическая проблема «щита и меча». Так происходило всю историю человечества, сейчас это происходит с квантовыми компьютерами и потенциальным взломом шифров. Это нормальная конкурентная борьба.
С другой стороны, к этическим вопросам относится, например, гипотетическое применение в будущем квантовых компьютеров в области генной инженерии или создания киборгов, то здесь уже требуется международное регулирование, создание комиссий и разработка законодательных норм, которые затем будут ратифицированы отдельными странами.
Без господдержки не обойтись, но частные инвестиции уже на подходе
Для квантовых вычислений государственная поддержка играет ключевую роль, потому что технологии еще находятся на низком уровне готовности, и без господдержки здесь никуда. Конечно, крупные компании тоже проявляют интерес к софинансированию квантовых вычислений, но это все еще остается в области фундаментальных прикладных исследований. Ключевое значение имеет поэтапное формирование перечня решаемых задач: на начальном этапе можно сосредоточиться на простых задачах, которые позволят продемонстрировать работоспособность технологии, а уже затем переходить к решению более сложных проблем. Это создаст для инвесторов понятную перспективу — компании, поддерживающие развитие квантовых вычислений сегодня, получат стратегическое преимущество в доступе к этим технологиям в будущем.
В квантовых коммуникациях ситуация выровнялась — эти технологии вышли на высокий уровень готовности, поэтому и государство, и частные компании участвуют в их развитии в сопоставимых объемах. Для привлечения инвестиций в эту сферу сейчас самое главное — определить юридические основания и сформировать четкую регуляторную базу, чтобы потенциальные пользователи знали, в каких случаях рекомендуется применять квантовую криптографию и когда это обязательно. Возможно, стоит предусмотреть льготы для компаний, которые внедряют новейшие технологии информационной безопасности.
Такой подход создаст не просто условия для инвестиций, а приведет к прямым закупкам оборудования в масштабах страны, а компании, в свою очередь, получат стимул направлять средства на совершенствование технологических решений и развитие научных исследований.
Технологический ландшафт меняется непредсказуемо
Через 10 лет мы вряд ли увидим массовое применение квантовых компьютеров, более реалистичные сроки — 20 лет и более. Однако предсказать конкретные формы его применения крайне сложно — технологический ландшафт может измениться непредсказуемо, как это произошло со смартфонами, или когда во время пандемии видеоконференции и сервисы доставки стали повседневной нормой. Все может измениться в любой момент, поэтому предсказывать достаточно трудно.
Скорее всего, квантовые компьютеры останутся узкоспециализированным инструментом, подобно космическим технологиям. Хотя спутники обеспечивают нам интернет и навигацию, для обычного человека наличие или отсутствие спутниковых технологий не сильно заметно. Точно так же и с квантовыми вычислениями — на конечного пользователя они окажут значительное, но не всегда очевидное влияние, например, через разработку новых лекарств для ранее неизлечимых заболеваний.
Успехи молодых ученых как вдохновляющий фактор
Меня в работе больше всего вдохновляют успехи молодых ученых, и то, как результаты многолетнего труда воплощаются в реальные технологии. Неопределенность вызывает отчасти лишь то, что до конца еще не понятно, где, как и в каком объеме будут применяться квантовые технологии. Но я уверен, что значительные инвестиции, которые были вложены в эту отрасль, обязательно окупятся и принесут нашей стране и всему человечеству большую пользу.
