Как квант меняет современный мир к лучшему

Что мешает коммерческому использованию квантовых компьютеров?

Алексей Устинов: Коммерческое использование отчасти уже начинается, первые устройства продаются, но их пока немного. Пройдет довольно много времени, прежде чем следующий шаг на рынок будет сделан. Эти устройства пока не совершенны, и покупают их скорее для исследовательских целей, чтобы иметь ноу-хау в этой области и накопить компетенции к тому моменту, когда появятся реально полезные устройства.

Примеры уже есть - например, компания IBM создала квантовый компьютер, который установила на одном из своих предприятий в Германии в партнерстве с исследовательским Институтом Фраунгофера. Есть разработки у канадской компании D-Wave, которые, правда, многие считают не вполне квантовыми. Тем не менее они продали несколько устройств университетам, военным агентствам и другим структурам. Но, конечно, если мы говорим о массовом рынке, то пока до этого дело не дошло и не очень понятно, когда дойдет. Ниша использования квантовых компьютеров довольно специальна, и они не нужны нам в ежедневной практике, как мобильные телефоны. Они не отменят те устройства, которыми мы пользуемся сейчас - по крайней мере в обозримом будущем.

А возможна ли интеграция квантовых технологий в существующие устройства (телефоны, планшеты, компьютеры)?

Алексей Устинов: Квантовых технологий да, но квантовых компьютеров в ближайшем будущем, я думаю, нет. Нет такой необходимости. А такие технологии, как квантовые часы, GPS, внедряются, устройства становятся все более компактными. Также перспективно использование квантовых сенсоров в медицине, они позволяют локально измерять магнитные поля и различные другие параметры. Микромасштаб позволяет искать дефекты в алмазах. Это вполне в духе второй квантовой революции, то есть управления сложными квантовыми системами на уровне их отдельных компонентов.

Квантовые компьютеры, как ожидается, смогут создавать формулы новых лекарств, новейшие материалы и в целом выполнять задачи, которые не под силу существующим устройствам. Какие тут могут возникать риски?

Алексей Устинов: Большой риск один - что эти ожидания связаны с достаточно отдаленной перспективой. Устройства, которые сейчас создаются, пока позволяют рассчитывать совсем небольшие квантовые системы, например, простейшие молекулы - воды, или чуть более сложные молекулы. Двигаться дальше пока не позволяют несколько проблем, одна из них - увеличение глубины вычислений, которая должна соответствовать размеру квантовой системы. Если есть тысяча кубитов (наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере - Ред.), и все они плохие, то я не смогу сделать некую полезную задачу. Каждый кубит имеет ограниченное время жизни, и увеличение этого времени - большая проблема, решением которой все сейчас занимаются.

Все мечтают о том, что будут созданы квантовые методы коррекции ошибок. В этой области есть очень успешные эксперименты на сверхпроводниках, например, это было сделано компанией Google и Швейцарской высшей технической школой Цюриха. Но чтобы практически использовать результаты этих экспериментов, нужно преодолеть много инженерных проблем - увеличение числа кубитов до больших чисел, которые пока не представляются реалистичными. Не думаю, что есть угроза рынку лекарств в ближайшее время или рынку новейших материалов. Скорее всего, этот путь займет десятилетия.

Еще 2019 году Google заявил о достижении "квантового превосходства". Что это означает, и какие достижения России на этом пути?

Алексей Устинов: Свои экспериментом Google доказал, что то, о чем мечталось много лет, действительно возможно. Они решили определенную задачу на квантовом устройстве и показали, что решение этой задачи на классическом устройстве принципиально невозможно. Это прецедент, который говорит о том, что квантовые вычисления имеют под собой очень серьезные основания. Но на их практическое применение нужны годы - как после изобретения транзисторов прошло 20-30 лет, прежде чем они стали использоваться в калькуляторах и других устройствах.

Что касается России, делается немало. В 2016 году стартовал проект "Лиман" на основе сверхпроводниковых кубитов. За три года был пройден большой путь, создан процессор на двух кубитах. Это стартовая точка для работы в рамках "дорожной карты", в том числе развития квантовых вычислений на других объектах, атомах, например. Здесь есть неплохой задел, но расслабляться ни на минуту нельзя. Весь мир продолжает работать над квантовыми вычислениями, например, IBM сделала компьютер на 53 кубитах и к концу года намерена удвоить эту цифру. Нужно работать и не повторять то, что сделали лидеры, а использовать свои наработки, чтобы создавать оригинальные вещи.

Сделают ли квантовые технологии мир лучше?

Алексей Устинов: Безусловно, потому что не существует точных методов расчетов материалов, все они приблизительные и то работают, то нет. С появлением квантового компьютера мы сможем фактически по законам природы рассчитывать свойства ее объектов - материалов, молекул и т.д. И это, конечно, революция, которая позволить выполнять задачи, немыслимые сейчас. Поэтому - да, квантовые технологии сделают мир лучше, но это потребует времени, терпения и значительных усилий со стороны физиков, инженеров, программистов.

Комментарий

Юрий Курочкин, директор Центра компетенций НТИ "Квантовые коммуникации" НИТУ "МИСиС" и CTO научно-производственной компании QRate:

Юрий Курочкин. Фото: Предоставлено пресс-службой НИТУ "МИСиС"

Ведущие мировые державы, понимая стратегическое значение квантовой информатики, начали инвестировать в квантовые технологии задолго до пандемии. Пока что самые масштабные квантовые сети построил Китай, однако и другие лидирующие в "квантовой гонке" страны, в частности Россия, запускают собственные пилотные проекты в этой области и получают вдохновляющие результаты.

В условиях современной цифровой трансформации можно сказать, что рынок "ожидает" первой хакерской атаки с использованием мощного квантового компьютера, перед которым уязвимы практически все известные алгоритмы шифрования. А значит, под угрозу попадут и критическая инфраструктура, и цифровая экономика, и другие стратегически важные направления. Поэтому в выигрыше останутся те, кто раньше других включил квантовые коммуникации в стратегии информационной безопасности.

В связи с этим рынок запрашивает специалистов, которые разбираются и в методах традиционной информационной безопасности, и в квантовых коммуникациях. Это те люди, которые могут находить наиболее правильные практические методы интеграции квантовых коммуникаций в существующую инфраструктуру больших организаций.

Очевидно, что для дальнейшего развития рынка необходим активный диалог между разработчиками решений на основе квантовых технологий и заказчиками.

Например, в 2017 году в результате такого общения наша команда создала первый в мире квантово-защищенный блокчейн. А недавно совместно с Университетом Иннополис и компанией QRate мы провели демонстрацию квантово-защищенного беспилотного автомобиля. Это важный результат, так как временные горизонты массового появления беспилотников на дорогах совпадают с темпами развития квантовых компьютеров. Поэтому необходимо уже сегодня учитывать квантовую криптографию в тех технических решениях, которые через 5-7 лет будут применяться масштабно. В частности квантовые технологии обеспечивают безопасное удаленное обновление прошивки беспилотника.

В центре НТИ "Квантовые коммуникации" НИТУ "МИСиС" выстроена эффективная и последовательная система подготовки специалистов по квантовым технологиям. Например, для специалистов по информационной безопасности, которые хотят расширить свои знания в области квантовой криптографии, разработана программа дополнительного профессионального образования. Хорошая лабораторная база и учебный класс, оснащенный современным телеком-оборудованием, помогают на практике понять, как работает технология, и убедиться, что в ее основе лежат четко определенные протоколы и математически доказанные алгоритмы.