Что стоит за квантовым превосходством, которое радикально изменит реальность? Каким будет момент, когда квантовые компьютеры сделают возможным то, что не по силам суперкомпьютерам? Разбираемся в статье.
Что такое квантовое превосходство? От демонстрации к практике
Чтобы понять, почему квантовое превосходство сулит такие изменения, нужно разобраться, как работают квантовые компьютеры. Классические компьютеры, от смартфона до суперкомпьютера, используют биты, которые могут принимать либо значение 0 либо 1 (можно сравнить с «орлом» и «решкой» монеты). Квантовые компьютеры основаны на кубитах. Если обычный бит ― это монетка, лежащая либо «орлом», либо «решкой» вверх, то кубит ― это монетка, вращающаяся в воздухе.
Отличительная черта кубитов, которая делает их столь мощной основой «вычислителей», ― возможность находиться в состоянии суперпозиции ― одновременно и орла и решки с некоторой вероятностью для каждого исхода. Более того, кубиты могут находиться в состоянии квантовой запутанности ― тогда их состояния становятся взаимозависимыми, даже если они разнесены очень далеко друг от друга. Измерение состояния одного мгновенно определяет состояние другого.
Эти два феномена ― суперпозиция и запутанность ― дают квантовым компьютерам принципиально иную мощь для решения определенных задач. Они могут (хотя это и не совсем верная аналогия) исследовать множество возможных путей решения одновременно, а не перебирать их последовательно.
Квантовое превосходство ― исторический рубеж, когда квантовый компьютер впервые надежно решит конкретную, практически значимую задачу, которую даже самый мощный из существующих классических суперкомпьютеров не сможет решить за разумное время. Пока что задачи весьма посредственные, что, впрочем, не мешает крупным компаниям то и дело заявлять о прорывах, а конкурентам опровергать такие заявления.
К слову, под «разумным временем» стоит понимать не часы или дни, а годы, десятилетия или даже века вычислений. То есть квантовое превосходство ― это не просто ускорение, а качественный скачок вперед, решение задачи, ранее считавшейся вычислительно недоступной.
Пока человечество находится в эре квантового преимущества, так как впечатляющие демонстрации ― это лишь лабораторные «упражнения», выполняемые в специально подобранных условиях. О практическом применении и реальной пользе говорить все еще рано, хотя отдельные научные группы и целые страны пытаются выйти на полезные задачи.
Очевидно, что к 2050 году ученым удастся достичь высокой цели и начать решать с помощью квантовых компьютеров реальные, важные для науки, промышленности и общества задачи. Например, моделирование новых материалов и лекарств, оптимизация глобальных логистических систем или взлом современных криптографических алгоритмов. Это превосходство, которое изменит правила игры во всем мире.
Дорога к 2050 году, или какие задачи «падут» первыми
К середине XXI века практическое квантовое превосходство перестанет быть абстракцией и начнет менять сферы жизни людей. Эксперты выделяют несколько направлений, где прорыв ожидается раньше всего и окажет наиболее заметное влияние.
Первой и, пожалуй, самой важной областью станет криптография и безопасность. Современная цифровая защита ― от банковских транзакций до государственных секретов ― основана на математических задачах, нерешаемых за разумное время даже суперкомпьютерами. Алгоритмы, такие как RSA или ECC, станут уязвимыми перед достаточно мощным квантовым компьютером.
Используя алгоритм Шора, квантовый компьютер сможет взломать эти шифры, потенциально поставив под угрозу огромные массивы данных, включая долгосрочные контракты компаний или секретную информацию правительств прошлых лет.
Прежде всего угрозе подвергаются все данные, защищаемые асимметричными криптографическими алгоритмами. К этому классу алгоритмов относятся электронная цифровая подпись и средства выработки общего секретного ключа. Взлом электронной подписи может разрушить инфраструктуру открытых ключей, сделает невозможным нормальное функционирование систем онлайн-платежей и блокчейна. Одна из наиболее актуальных угроз — взлом средств выработки общего секретного ключа. Такие средства необходимы для защищенной передачи информации в сети интернет. Злоумышленник может перехватывать зашифрованный трафик уже сегодня, а дешифровать его позднее, получив доступ к данным с помощью квантового компьютера.
Все это создаст беспрецедентные риски для кибербезопасности и разведывательной деятельности по всему миру. Спасти положение может лишь массовый и своевременный переход на постквантовую криптографию — новые алгоритмы, устойчивые к квантовым атакам. Их разработка уже ведется. В 2024 году Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) представил первые стандарты постквантового шифрования и план отказа от действующих стандартов асимметричных систем, уязвимых к атакам с применением квантового компьютера.
Антон поделился, что появление высокопроизводительного квантового компьютера, способного взломать современные асимметричные криптосистемы, возможно в течение ближайших 10 лет. На это указывает сразу несколько факторов. Во-первых, оптимизация квантовых алгоритмов снижает требования к мощности квантовых компьютеров. Так, в 2012 году предполагалось, что для взлома RSA-2048 потребуется квантовый компьютер с миллиардом физических кубитов. Согласно последней экспертной оценке, для реализации этой атаки потребуется менее 1 миллиона кубитов. Во-вторых, характеристики квантовых компьютеров постоянно улучшаются. Например, в 2022 году рекорд по числу кубитов в работающем квантовом процессоре составлял 433 кубита, а уже в 2025 году — более 1000 кубитов (устройство IBM Heron).
Эксперт также отметил, что переход на новые стандарты ― весьма сложная задача. Однако уже существуют примеры такого перехода как на глобальном уровне, например, замена устаревшего блочного шифра DES на AES, так и на национальном уровне. Отечественные стандарты серии ГОСТ Р 34 уже неоднократно модернизировались, в том числе с принципиальной заменой математической основы, пояснил Антон Гугля.
На пути предстоящего перехода к постквантовому шифрованию, по мнению российского эксперта, будут технические и организационные препятствия. Но их нельзя считать непреодолимыми.
По мнению национальных регуляторов, устаревающие алгоритмы должны выводиться из эксплуатации, ведь потенциальные потери от их взлома куда выше, чем затраты на модернизацию. Применение более совершенной элементной базы позволит нивелировать потери в производительности, а гибридные алгоритмы обеспечат совместимость в переходный период.
Постквантовые решения уже апробируются такими гигантами, как Google, Amazon и Microsoft. В России компания QApp предлагает варианты пилотной интеграции отечественных квантово-устойчивых программных продуктов. Готовность мира к этому переходу станет ключевым фактором цифровой стабильности к 2050 году.
Второй фронт прорыва ― наука о материалах и разработка лекарств. Точное моделирование поведения сложных молекул и материалов на атомном уровне ― неподъемная задача для классических суперкомпьютеров из-за экспоненциального роста вычислительной сложности. Для верного решения необходимо учитывать слишком большое количество параметров молекул. И чем больше атомов и связей в молекуле, тем сложнее задача.
Квантовые компьютеры, работающие по тем же природным квантовым законам, что и сами молекулы, идеально подходят для их моделирования и изучения их свойств. К 2050 году это может радикально ускорить открытие новых материалов: сверхпроводников, работающих при комнатной температуре, сверхлегких и сверхпрочных сплавов для авиации и космоса или высокоэффективных катализаторов для «зеленой» химии.
В фармацевтике квантовое моделирование позволит создавать лекарства с заданными свойствами, ускорив поиск средств против огромного массива современных неизлечимых или редких заболеваний. Весьма вероятно, что распространение квантовых вычислителей откроет эру по-настоящему персонализированной медицины. И снова речь не просто о скорости, а о возможности решать задачи, которые раньше были принципиально недоступны для расчета.
Третья область ― оптимизация невероятно сложных систем. Современный мир пронизан сетями: глобальные цепочки поставок, распределенные энергосети, финансовые рынки, системы городского транспорта. Поиск оптимальных решений в таких системах, например, маршрут доставки с минимальными затратами ресурсов или баланса спроса и предложения энергии в том или ином регионе, требует перебора астрономического числа вариантов, что не под силу классическим компьютерам.
Квантовые алгоритмы оптимизации, способные «просматривать» множество путей одновременно, к 2050 году смогут находить решения, недостижимые ранее. Это приведет к гигантской экономии ресурсов, снижению выбросов CO₂ из-за слабых логистических цепочек, повышению стабильности энергосетей, созданию новых финансовых инструментов и моделей оценки рисков. Даже развитие искусственного интеллекта получит мощный импульс, так как обучение сложнейших нейросетей ― это тоже задача оптимизации, которая может быть ускорена квантовыми методами. Во всех этих случаях квантовое превосходство откроет двери к решениям, которые сегодня кажутся фантастикой.
Мир после Рубикона: системные изменения
Очевидно, что квантовое превосходство к 2050 году не ограничится отдельными прорывами, а запустит волну глубоких изменений, которые полностью преобразуют мир. Прежде всего, поменяется экономика, ведь возникнут совершенно новые отрасли ― от квантового инжиниринга материалов и лекарств до специализированных услуг квантовой оптимизации и кибербезопасности. Одновременно устареют целые сектора, чьи бизнес-модели основывались на сложности расчетов или уязвимости старых криптосистем.
«Квантовая гонка» станет еще одной гранью геополитики, сравнимой по накалу страстей с космической или ядерной гонками прошлого. Страны и корпорации, обладающие доступом к мощным квантовым вычислителям, получат колоссальное технологическое и экономическое преимущество. Это может породить как новое превосходство, так и новое неравенство стран. Общество столкнется с новыми вызовами и, безусловно, с новыми возможностями.
Проблемная реальность
Несмотря на захватывающие перспективы, путь к практическому квантовому превосходству остается тернистым. Ученым предстоит решить немало серьезных технических проблем, от хрупкости квантовых состояний до создания надежных и масштабируемых квантовых компьютеров.
Миру необходимы инновационные решения для изоляции кубитов и эффективные методы коррекции ошибок. Последнее требует огромного количества дополнительных физических кубитов только для контроля и исправления работы основных. Это порождает необходимость масштабировать существующие системы до миллионов неустойчивых физических кубитов (или тысяч стабильных логических кубитов).
Отдельно отметим, что даже после достижения квантового превосходства квантовые компьютеры не заменят классические. Они будут работать с ними в симбиозе. Будущее вычислительных систем ― гибридное. Классические суперкомпьютеры останутся незаменимыми для повседневных задач, например, обработки больших данных и подготовки задач для квантовых процессоров, которые возьмут на себя узкоспециализированные вычисления, недоступные классическим суперкомпьютерам.
На пороге новой эры
Чтобы все это стало возможным, нужны не только выдающиеся умы и ультрасовременные лаборатории, но и устойчивые инвестиции в фундаментальные исследования, инженерные разработки для преодоления оставшихся технических барьеров. Крайне важна подготовка нового поколения специалистов ― физиков, инженеров, программистов, которые будут работать с квантовыми технологиями. И, пожалуй, самое главное ― нужен глобальный диалог стран для выработки этических принципов и новых норм, которые направят развитие квантовых технологий на благо всего человечества, минимизируя при этом возможные риски.
