Как и почему возникла квантовая гонка и что принесёт «заезд»

Если проследить за развитием технологий, то можно заметить, что они поддаются нескольким этапам развития: открытие – внимание – разработка экспериментальная – разработка коммерческая – вывод на рынок.

Квантовые технологии, согласно данной классификации, находятся посередине – на стадии экспериментов. Плюс-минус в сторону коммерческих проектов. Но, вне всякого сомнения, они успешно привлекли внимание и учёных, и инвесторов.

Миллионы на фотоны

На сегодня картина финансирования квантовых разработок выглядит впечатляюще. Так, государственные программы по данным технологиям в Евросоюзе собрали €1 млрд, в Великобритании — $400 млн, в США — $360 млн, в Китае — $220 млн.

Частные компании также активно вкладывают в них средства: объём инвестиций Google, IBM, Intel и Microsoft в подобные проекты достигает $500.

Россия тоже не обделила финансовым вниманием инновацию. Например, Российский квантовый центр (РКЦ) дважды получал средства от фонда «Сколково» на общую сумму около $58 млн, $4,1 млн – от «Газпромбанка», а Фонд перспективных исследований (ФПИ) и Внешэкономбанк (ВЭБ) договорились о создании межведомственной сетевой структуры как инструмента для развития квантовых технологий.

К слову, ВЭБ подписал договор с Госбанком развития Китая (China Development Bank), согласно которому последний инвестирует почти $1 млрд (6 млрд CNY) в инновационные технологии, в частности квантовые.

Зарубежные разработки

Сегодня IT-гиганты гонятся за количеством квантовых битов (кубитов) – ячеек хранения информации в квантовом компьютере. В отличие от знакомых нам битов, кубиты могут принимать состояние суперпозиции, то есть находиться одновременно в двух состояниях (0 и 1). Образно говоря, если бит – это монета, лежащая орлом или решкой, то кубит – это подброшенная и вращающаяся в воздухе монета, демонстрирующая обе стороны.

При этом удержать квантовое состояние кубита крайне сложно: любое незначительное внешнее воздействие его разрушает, поэтому так тяжело сохранять информацию и получать много кубитов.

Почему же их количество так важно? Благодаря удивительному свойству суперпозиции скорость записи, обработки и чтения данных существенно возрастает. Если прибавление на один бит в классическом процессоре почти не повышает его мощность, то появление дополнительного кубита её удваивает.

Учёные из Google считают, что появление универсального квантового компьютера на 50 кубит превысит мощности всей техники последних 50 лет – то есть произойдёт так называемое квантовое превосходство.

На сегодня существуют прототипы на 49 кубит от Google и 51 кубит – от Гарвардского университета и РКЦ, но это экспериментальные квантовые вычислительные машины, которые находятся в лабораторных условиях.

И хотя «товар» ещё не появился, «купец» уже нашёлся. К примеру, автоконцерн Volkswagen тестирует квантовые компьютеры 2000Q компании D-Wave для вычисления оптимального маршрута такси в обход пробок. По сравнению с классическим компьютером, справившимся с задачей за 45 мин, квантовый решил её за доли секунды.

Только проблема в том, что стоимость одной такой квантовой вычислительной машины – $15 млн, а её разработчики подчеркнули, что хотя в ней действительно используется 2 тыс. кубитов, они уходят на решение узконаправленных задач. Иными словами, D-Wave отличается от того, что создают в Google или Гарварде, ведь речь идёт именно об универсальном квантовом компьютере – только такой принесёт квантовое превосходство.

Хьюстон, у нас проблемы

Далеко не всех обрадуют полноценные квантовые машины. Дело в том, что такие супермощные компьютеры на квантах способны взломать существующие алгоритмы шифрования, в том числе ассиметричные, где используется обратное умножение. Проще говоря, в них информация скрывается под огромным числом, и для доступа нужно знать множители этого числа. Для классических компьютеров подобрать их – дело нескольких лет, а для квантовых – нескольких минут.

Подобные алгоритмы используются банками, медицинскими учреждениями и даже в органах госбезопасности. Для них появление квантового компьютера и возможность взлома систем безопасности – настоящая катастрофа. Так, Агентство национальной безопасности США (АНБ) давно обеспокоено данной проблемой, поэтому в рамках программы «Взлом защищённых целей» разрабатывает свой квантовый компьютер стоимостью в $80 млн и тестирует его. Но результаты, разумеется, держит в тайне.

К счастью, противостоять квантовому компьютеру можно. Правда, «победить» квантовые технологии смогут только квантовые же технологии. Речь идёт о линиях связи с квантовым шифрованием данных – такие системы исключают несанкционированный доступ на физическом уровне. К слову, АНБ издало указ о внедрении подобных алгоритмов до появления квантовых вычислительных машин.

Есть ли решение?

Примеры квантовых линий связи уже существуют в Китае (между Пекином и Шанхаем, 2000 км), Австрии (SECOQ объединяет несколько европейских структур с помощь шести типов устройств) и в России.

В 2016 году в Москве физики из РКЦ реализовали в городских условиях первую в стране гетерогенную квантовую линию связи протяжённостью 30 км между несколькими отделениями «Газпромбанка». В ней осуществляется сразу два вида кодирования – поляризационное и фазовое.  Для борьбы с шумами от городской среды использовались однофотонные детекторы.

Спустя несколько месяцев на основе данной линии связи успешно применили новый подход – квантовый блокчейн. В нём использовалось всё лучшее от двух технологий: защищённость данных на физическом уровне – от квантов, децентрализованное управление – от блокчейна.

Научным руководителем проектов выступил член научного совета РКЦ, доктор физических наук, профессор Университета Калгари (Канада) Александр Львовский. В интервью Quantum Technology Conference – мероприятии, где он 1 марта детально расскажет о коммерческом потенциале разработок, – эксперт отметил: «Блокчейны и криптовалюты имеют будущее – просто они будут меняться и синтезироваться с квантовыми технологиями в процессе развития».

В декабре 2017-го учёные продвинулись ещё дальше. Они создали канал связи между отделениями Сбербанка, в котором, в отличие от проекта в «Газпромбанке», получилось не только обменяться квантовыми ключами для шифрования, но и непосредственно реальной информацией, которая была защищена.

Генеральный директор РКЦ Руслан Юсунов сказал, что успешно проведённый эксперимент перевёл проект из разряда перспективных в готовый коммерческий продукт для бизнеса. Более того, в следующем году планируется серийный выпуск квантово-коммуникационного оборудования.