На пути к квантовому будущему

Зачем в мире формируется новая индустрия компьютерных вычислений

Ведущие IT-корпорации инвестируют в альтернативные квантовые технологии (КТ). Более совершенные алгоритмы нужны бизнесу для мгновенной обработки массивов данных, защиты информации на более высоком уровне, формирования экономических прогнозов и др. Страны конкурируют в базовых платформах и внедряют коммерческие процессоры нового типа. В России государство активно поддерживает квантовые проекты и включило их в нацпрограмму «Цифровая экономика». Одна из инициатив была реализована в июне 2021 года. ОАО «РЖД» запустило первую в стране линию квантовой связи между Санкт-Петербургом и Москвой.


ПРЕВОСХОДСТВО КУБИТОВ

Летом 2021 года в Китае представили самый мощный квантовый компьютер в мире. Устройство решило сложную алгоритмическую задачу за час. На выполнение аналогичного IT-теста у классической вычислительной машины ушло бы не менее восьми лет, сообщили разработчики. Ускорение на десятки порядков возможно за счет использования кубитов*. Такие единицы хранения информации используют квантовые процессоры. С помощью кубитов задачи выполняются моментально, в то время как на обычных компьютерах тратится время на сравнение вариантов вычислений.

Заместитель председателя правления Газпромбанка Дмитрий Зауэрс на форуме ICQT-2021 рассказал о том, зачем цифровые лидеры развивают компетенции в КТ.

Дмитрий Зауэрс, Газпромбанк:

– Классическая электроника почти исчерпала свои возможности по масштабированию. Квантовое моделирование открывает совершенно другие перспективы по решению вычислительных задач.

В гонке участвуют все глобальные IT-корпорации, сообщил глава российской Национальной квантовой лаборатории (НКЛ) Руслан Юнусов. Он уточнил, что Google, IBM, Alibaba, Intel, Microsoft тестируют свои разработки на какой-либо из четырех существующих технологических платформ:

  • на фотонных чипах,
  • на сверхпроводниковых квантовых цепях,
  • на основе нейтральных атомов,
  • на ионах.

Пока коммерческие образцы с малым количеством кубитов предлагают отдельные стартапы. Например, во второй половине июля пятикубитовый квантовый процессор Soprano всем желающим начала продавать нидерландская компания QuantWare. Кстати, у российских ученых из МФТИ есть аналогичный прототип, но он пока не стал бизнес-продуктом.

Большинство игроков рынка в мире сегодня предоставляет заказчикам квантовые симуляторы из лабораторий – облачные платформы. Так, например, делает Google, с мая предлагающая доступ к 100-кубитному прототипу компьютера. Наши ученые из Российского квантового центра (РКЦ) также разработали подобный сервис.

Р.Юнусов предполагает, что уже в 2023 году устройства нового типа появятся на основе 1 тыс. кубитов, а к 2030 году мощность квантовых установок достигнет миллиона единиц. Google обещает выпустить первый коммерческий образец процессора на 1 млн квантовых битов к 2029 году.

Лидером по внедрению может остаться Китай, который сегодня осуществляет максимальные инвестиции в КТ. КНР уже вложил 10 млрд долларов в создание открывшейся осенью 2020 года лаборатории в провинции Хэфэй. Другие страны немного отстают.

Руслан Юнусов, Национальная квантовая лаборатория:

– Евросоюз еще в 2018 году объявил о программе Quantum Flagship, суммарный бюджет ЕС на данные проекты – 7 млрд долларов. Национальная квантовая инициатива в США предусматривает выделение на соответствующие исследования 1,2 млрд долларов до 2024 года.

Российская дорожная карта (ДК) развития КТ, утвержденная в июле 2020 года, предполагает расходы порядка 50 млрд рублей до 2024 года по нескольким направлениям.


700 КИЛОМЕТРОВ КВАНТОВ

В России новыми вычислительными технологиями занимается несколько госкомпаний. Квантовые коммуникации находятся в ведении ОАО «РЖД», рассказал заместитель начальника профильного департамента компании Павел Дорожкин на конгрессе «Сфера» в июне 2021 года. Он отметил незаменимость технологии в условиях растущих киберугроз.

Линии связи с квантовой криптографией более надежно защищают передаваемые данные

Павел Дорожкин, ОАО «РЖД»:

– Распределенный между двумя абонентами квантовый ключ используется для симметричного шифрования информации, отправленной по любым открытым каналам связи.

В июне 2021 года РЖД запустила первые 700 км защищенной связи между Москвой и Санкт-Петербургом. П.Дорожкин подчеркнул, что этот участок стал вторым по протяженности в мире после китайской линии Шанхай–Пекин. Ее протяженность достигает 4,6 тыс. километров. Российский проект создан на базе оригинальных отечественных решений. Реализация первых пилотных сервисов на новой инфраструктуре возможна в 2023-24 годах.

К 2024 году в России появится более 7 тыс. км квантовых сетей – об этом говорится в профильной дорожной карте. Документ предполагает и создание рынка оборудования для их обслуживания.

Одним из таких проектов занимается Ростех. Госкорпорация ответственна за разработку и внедрение квантовых сенсоров. Датчики можно будет использовать в системах спутниковой, наземной и сотовой связи для сверхточного измерения положения космических аппаратов и беспилотников, а также в сфере интернета вещей.

Третий сегмент ДК – «Квантовые вычисления» – находится в ведении Росатома. Сегодня в этом направлении идет координация работы научных коллективов, создание инфраструктуры, закупка оборудования, комплектование лабораторий, отметила директор по цифровизации госкорпорации Екатерина Солнцева. Они расположатся в том числе в центре нанофабрикации на территории «Сколково». Его строительство начнется в этом году.

В Росатоме в 2021-м рассчитывают создать и первый прообраз квантового компьютера на пяти кубитах

В этом поможет партнер Сбер: стороны с марта сотрудничают в проектах консорциума НКЛ.

Екатерина Солнцева, Росатом:

– Дорожная карта включает меры по привлечению кадров для индустрии. Студенты обучаются в МГУ, МИФИ и МФТИ, где запущены профильные магистерские и аспирантские программы. Надо готовить специалистов, начиная со школьной скамьи, и ряд общеобразовательных учреждений уже внедряет изучение КТ в старших классах.

Дмитрий Зауэрс, Газпромбанк:

– В обществе мало кто понимает, что стоит за квантовыми проектами. Нужно популяризировать эти технологии и не бояться инвестировать. Важно создать критическую массу людей, которые верят в КТ. Вовлечь крупный бизнес – наша главная задача сегодня.

В июне 2021 года направление КТ включили в нацпрограмму «Цифровая экономика».


ВОСТРЕБОВАННОСТЬ В ОТРАСЛЯХ

В какой-то момент концентрация многочисленных международных КТ-проектов достигнет апогея и превратится в лавину, которая снесет традиционную систему вычислений. Так считает основатель и научный директор квантового стартапа-единорога из США IonQ Кристофер Монро. Эксперт говорит, что этот момент может наступить в течение нескольких лет.

Научный прорыв невозможен без глобального сотрудничества, утверждает менеджер по исследовательско-технологическому сотрудничеству Airbus Паоло Бьянко. Недавно авиационный гигант провел конкурс Airbus Quantum Computing Challenge (AQCC), в отборочных турах которого принимали участие в том числе команды из России, но победителями стали ученые из Италии.

Паоло Бьянко, Airbus:

– С помощью КТ мы планируем решать прикладные задачи компании. Во-первых, оптимизируем логистику грузов. Во-вторых, изменим критически важные элементы лайнеров для улучшения аэродинамики – например, формы крыльев. В-третьих, выясним, какие фазы полета больше подходят для дозаправки воздушного судна.

Airbus входит в европейскую программу развития КТ Quantum Flagship, экосистема которой включает 130 членов, уточнил руководитель инициативы ЕС Томмазо Каларко. По словам эксперта, сегодня главная задача сообщества убеждать индустрию интегрироваться в проекты КТ, и переводить лабораторные исследования в практическую плоскость.

Число областей, в которых квантовый компьютер будет актуален и востребован, велико. Вице-президент, директор управления исследований и инноваций Сбербанка Альберт Ефимов рассказал, что изменится, если мощное вычислительное устройство будет доступно в финансовом мире.

Альберт Ефимов, Сбербанк:

– У нас происходят сотни тысяч транзакций в секунду. КТ смогли бы на принципиально новом уровне защитить операции. Квантовые вычисления способны оптимизировать инвестиционные портфели, рассчитывать кредитоспособность заемщиков, предсказывать финансовые кризисы и т.д.

Системы кибербезопасности беспилотного транспорта уже сегодня нуждаются в совершенных КТ, выяснили в российской компании QRate. Ее сотрудники в мае 2021 года испытали решение на функционирующих в Иннополисе автономных такси.

В перспективе квантовые технологии будут интегрированы с 5G

А в Сколтехе в конце 2020 года сделали прототип квантового мессенджера. Сервис предназначен для организации безопасной связи на предприятиях, имеющих критическую инфраструктуру.

В июле 2021 года стало известно, что ученые из РКЦ и компании Genotek с помощью квантового компьютера впервые сумели расшифровать геном вируса.

*Куби́т (q-бит, кьюбит, кубит; от quantum bit) – наименьшая единица информации в квантовом компьютере (аналог бита в обычном компьютере), использующаяся для квантовых вычислений.

Изображение: RSpectr, Freepik.com

ЕЩЕ ПО ТЕМЕ: 

Сами с софтами
Российские разработчики систем CAD/CAЕ создают консорциум для борьбы с засильем импорта