2 – 5 июня 2021
Петербургский Международный
Экономический Форум
Новости проекта

Как квант меняет современный мир к лучшему

Появления полноценных квантовых компьютеров ждут уже не первый год, однако пока такие устройства в основном работают в лабораториях. Насколько реалистична идея создания коммерческих квантовых компьютеров и как решается эта задача, "РГ" рассказал д.ф.-м.н., заведующий лабораторией "Сверхпроводящие метаматериалы" НИТУ "МИСиС" и руководитель группы в Российском квантовом центре, профессор экспериментальной физики в Технологическом университете Карлсруэ Алексей Устинов.
Алексей Устинов. Фото: Предоставлено пресс-службой НИТУ "МИСиС" Алексей Устинов. Фото: Предоставлено пресс-службой НИТУ "МИСиС"
Алексей Устинов. Фото: Предоставлено пресс-службой НИТУ "МИСиС"

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 продала в Германию исследовательскому Институту 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 пока 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 для 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 позволяют измерять квантовые свойства дефектов в алмазах. Это вполне в духе второй квантовой революции, то есть управления 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 работают с ошибками, то я, скорее всего, не смогу сделать желаемую 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 первые очень успешные эксперименты на сверхпроводниках и ионах, 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: Своим 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 ожидания, связанные с квантовыми вычислениями, имеют под собой очень серьезные основания. Но на 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 по инициативе Росатома и Фонда перспективных исследований стартовал проект "Лиман" на основе сверхпроводниковых кубитов. За три года был пройден большой путь, создана технология и продемонстрирован процессор на двух кубитах. Это стартовая точка для работы в рамках "дорожной карты", в том числе развития квантовых вычислений на других объектах, ионах и атомах, например. Здесь есть неплохой задел, но расслабляться ни на минуту нельзя. Весь мир продолжает работать над квантовыми вычислениями, например, IBM в этом году сделала компьютер на 65 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.

Мы ВКонтакте