Говоря про квантовые технологии, чаще всего мы подразумеваем квантовые компьютеры. Однако сфера применения квантовых технологий гораздо шире. Например, уже протянуты многие тысячи километров квантовых сетей, несколько компаний заняты разработкой постквантовых алгоритмов шифрования, тестируются квантовые сенсоры для биомедицинских приложений

В День российской науки вспоминаем Tech Science Meetup от SuperJob, на котором руководитель научной группы Российского квантового центра, профессор МФТИ Алексей Федоров рассказал о том, что представляют собой квантовые компьютеры, об их светлой и темной сторонах и какую роль сейчас играют квантовые технологии в сфере ИТ.

Квантовые технологии интересны как с точки зрения фундаментальной науки, так и с позиции будущих потенциальных сфер применения. Сейчас модно говорить, что мы стоим на пороге новой технологической революции — Индустрии 4.0, базирующейся на машинном обучении, робототехнике, искусственном интеллекте и множестве других инструментов, которые так или иначе связаны с обработкой и хранением информации. Однако внедрение всех этих технологий требует больших вычислительных ресурсов или более эффективных методов передачи информации, чему и должно поспособствовать квантовое направление.

Предел закона Мура как намек на переход к квантовым вычислениям

Вспомним закон, который выражает эмпирическое наблюдение одного из основателей компании Intel Гордона Мура. Согласно ему, количество транзисторов на кристалле интегральной схемы постоянно увеличивается.

Закон Мура можно записать в самых разных величинах — в плотности размещения транзисторов, их размерах, стоимости вычислительной мощности и т.п. И до последнего времени он идеально соблюдался практически во всех своих формулировках.

Каждая третья, если не вторая, презентация по квантовым технологиям начинается с утверждения, что закон Мура больше не работает, потому что транзисторы приблизились к пределам масштабирования. Если говорить в размерных терминах, в 2020 году должен был бы появиться транзистор величиной с один атом. Однако этого не произошло

При этом все же нельзя сказать, что классический компьютер закончил свое существование и закон Мура полностью себя исчерпал. Как показывают результаты последних лет, за счет, например, новых архитектур классические процессоры продолжают развиваться. Тем не менее, несмотря на это развитие, есть целый класс задач, которые классические компьютеры решают не так хорошо. В частности, задачи, связанные с теорией чисел или комбинаторной оптимизацией, с моделированием сложных систем, например химических реакций, материалов, лекарств или топлива. Во всех этих задачах с увеличением количества переменных сложность растет очень быстро. И здесь нам точно пригодятся квантовые вычисления.

Кубит и рубеж квантового превосходства

В свое время классический компьютер появился благодаря квантовой физике. На рубеже XIX и XX веков для решения ряда физических вопросов возникла квантовая теория. Помимо фундаментально новой картины мира, в которой мы живем, она подарила нам лазеры и транзисторы, в основе которых лежит механизм управления коллективными квантовыми свойствами. 

А современные квантовые технологии — это переход от управления большим количеством частиц, коллективным эффектом, к оперированию отдельными квантовыми системами: индивидуальными атомами, фотонами, электронами. 

Их поведение радикально отличается от того, к чему мы привыкли в классическом мире.

Квантовая система может находиться в состоянии суперпозиции — одновременно в нескольких возможных состояниях. На примере монетки: это будет не орел или решка, а и решка, и орел одновременно.

Еще один характерный момент — явление квантовой запутанности, т.е. проявление очень сильной взаимосвязи между квантовыми объектами. В системе из двух связанных монеток, зная состояние одной, мы могли бы измерить или изменить состояние другой. 

Квантовые свойства можно использовать, чтобы строить новые устройства, в том числе для обработки информации. В этом случае основным элементом становится не бит информации, а кубит — суперпозиция нуля и единицы. 

У одного кубита два возможных состояния, у двух кубитов — четыре, а у пятидесяти — 2^50 возможных состояний.

Это огромное пространство состояний. Благодаря квантовым свойствам можно создавать в этом пространстве очень сложные квантовые состояния, для описания которых потребовалось бы колоссальное количество информации. За счет преобразования таких состояний оказывается возможным решать сложные задачи, которые, по всей видимости, непосильны для классических суперкомпьютеров. Возможность квантовых компьютеров решать задачи, которые не решаются за разумное время на классических суперкомпьютерах, называется квантовым превосходством. 

Что имеем на сегодняшний день?

Масштаб и потенциал квантовых компьютеров пока ограничены. На данный момент мы еще не нашли такую элементную базу, которая позволила бы компьютерам, работающим по принципу управления отдельными квантовыми системами, одновременно иметь большое количество кубитов и обеспечить высокую степень контроля над каждым из них в отдельности. Такое сочетание масштабируемости и контроля нам еще только предстоит найти.

Для использования ресурсов, которые нам дает квантовая механика, — суперпозиции и запутанности — нам необходимо защитить квантовую систему от внешнего воздействия. Любое неконтролируемое влияние извне может переключить квантовое состояние и, например, внести ошибку в реализацию алгоритма. Бороться с такими ошибками на порядок сложнее, чем в классическом мире. Поэтому для развития квантовых компьютеров нам нужны не только эффективные методы увеличения их мощности, но и инструменты защиты от воздействия окружения. 

За статус лучшего решения сейчас борются различные платформы квантовых компьютеров — гонка активно идет.

Свои элементные базы сегодня развивают как крупные корпорации вроде Google и IBM, так и стартапы. Направления очень разные:

• Сверхпроводниковые чипы. Они нам понятны с точки зрения классического мира. Тот же чип, но работающий при низкой температуре, за счет чего в нем сохраняются квантовые свойства. На них сделали ставки в Google и IBM.

• Атомы. Эта платформа уже сильно отличается от классического компьютера. Квантовая информация кодируется в состояния индивидуальных охлажденных атомов, пойманных в специальные ловушки. Управлять состоянием атомов можно при помощи лазеров. Такой подход позволяет обеспечивать масштабируемость системы — это возможно благодаря наличию технологий по эффективному захвату атомов в оптические потенциалы. Сложность, однако, состоит в обеспечении контролируемого взаимодействия между атомами с высокой точностью. Квантовые вычисления на основе атомов развивают стартап компании QuEra и Pasqal.

• Ионы в ловушках. Ионы — заряженные атомы, что дает некоторый естественный способ для взаимодействия и реализации квантовых операций. В процессе вычислений ионы находятся в специальной электромагнитной ловушке, а управление осуществляется с помощью лазера. Платформа обладает серьезным потенциалом — дает возможность обеспечить высокое качество квантовых операций. Она активно развивается стартапом IONQ, который в 2021 году стал «единорогом» (его капитализация превысила миллиард долларов), а также компанией AQT.

• Фотоника. Идея фотонного компьютера есть и в классических вычислениях. У квантовых состояний света есть также ряд преимуществ. Ввиду большого количество возможных подходов трудно кратко и емко описать это направление. Одна из возможных идей — управление состояниями света в кремниевых чипах. Это направление развивается компанией PsiQuantum.

Нам еще предстоит найти аналог кремниевых транзисторов для квантовых вычислений, который позволил бы быстро наращивать мощность. Развитые страны инвестируют в это колоссальные средства. У них есть планы развития квантовых технологий и государственные программы поддержки инициатив. Лидируют по объему инвестиций Китай, США, Европа.

В гонке участвует и Россия. У нас принята дорожная карта по развитию квантовых технологий и вычислений, цель которой — развивать и масштабировать накопленный опыт в области квантовых вычислений. Стоит отметить, что в России есть задел по всем ключевым технологиям квантовых вычислений.

Примечательно, что помимо государств в гонке участвуют и частные корпорации. Читая об успехах в квантовых технологиях, мы видим не только Harvard, MIT, Yale, Sorbonne, Ecole Normale, Oxford, Cambridge, но и Google, Microsoft, Alibaba и многих других. Особенно активно в этом направлении сейчас работают ИТ-корпорации. А в последнее время в этой нише из среды университетов и научных центров появилось много стартапов, предлагающих оригинальные технологии и наращивающих за счет этого свою капитализацию. Яркие примеры — IonQ и Rigetti, которые в этом году стали первыми «единорогами» в области квантовых вычислений.

Чем может быть полезен квантовый компьютер 

Квантовый компьютер помогает решать задачи, которые традиционно сложны для классических вычислений, например моделирование химических соединений.

Он дает возможность кодировать состояния химических систем, скажем отдельных молекул или их соединений, в кубиты и таким образом проводить вычисления, предсказывать характеристики молекулярных соединений, полученных в ходе реакции.

Ряд существующих химических задач имеют очень высокий экономический эффект. Их решение точно окупит все вложения в разработку квантового компьютера. Хороший пример — задача по моделированию процесса получения аммиака.

Аммиак — очень востребованное химическое соединение, которое применяется в удобрениях. Но в силу неэффективности процесса его производства на него тратится, по некоторым данным, порядка 2-3% всей мировой энергии. Если с помощью квантового компьютера оптимизировать или разработать иной способ производства аммиака, можно было бы сэкономить значительные объемы энергии.

Квантовый компьютер может быть полезен для решения задач оптимизации. Поиск оптимального решения можно представлять себе как блуждание по ландшафту с холмами и впадинами различной глубины в поисках минимума. Эффект от квантовых вычислений можно проиллюстрировать как более эффективный поиск минимумов за счет возможности проникнуть в определенные области, отделенные узким высоким барьером. Для этого параметры задачи оптимизации кодируются в многочастичную квантовую систему, которая ищет свое наиболее выгодное энергетическое состояние. 

Пример, который приходит на ум, — задача коммивояжера, путешествующего между городами. С ростом числа городов увеличивается количество возможных маршрутов. И оказывается, задачу оптимизации перемещений можно решать путем ее кодирования в квантовой системе.

Еще одно применение — квантовое машинное обучение. В зависимости от задач можно добиться ускорения алгоритмов вплоть до экспоненциального, даже если просто использовать квантовый компьютер как сопроцессор. Такой компьютер может потенциально ускорить многие задачи линейной алгебры или квадратично ускорить поиск по неупорядоченной базе данных. Кроме того, квантовые компьютеры сэмплируют в ходе естественной эволюции квантовой системы, т.е. генерируют распределение, которое сложно получить классическим образом. В целом речь идет не только об ускорении классических алгоритмов, но и о создании принципиально новых методов обучения нейронных сетей или даже новых архитектур. 

К слову, лаборатория Google, которая занимается квантовыми компьютерами, называется Quantum Artificial Intelligence Lab. То есть с момента создания этой структуры коллеги из Google видят в качестве одного из основных применений квантовых компьютеров ускорение задач машинного обучения и искусственного интеллекта. 

Если комбинировать различные методы использования квантовых компьютеров, скажем оптимизацию химических процессов и машинное обучение, можно ускорить решение такой задачи, как создание лекарств. Для работы в этом направлении нам нужны точные сведения о химических соединениях — кандидатах на роль лекарства. Мы должны оптимизировать его структуру и взаимодействие с компонентами, чтобы получить наилучшие свойства. И квантовый компьютер позволяет ускорить генеративные модели, помогающие создавать новые лекарства, опираясь на свойства существующих.

Особенность текущего этапа развития квантовых технологий и вычислений — тот факт, что в качестве клиента сюда пришел бизнес.

Возможности квантовых компьютеров, существующих сегодня, — количество кубит и точность операций — ограничены. Они если и дают ускорение, то в очень узком классе задач, у которых нет прямых практических приложений. И в целом квантовое превосходство было доказано только для задач, вызывающих академический интерес. Несмотря на это, заказчиком квантовых вычислений уже сегодня является бизнес — крупные компании, такие как Airbus, Volkswagen и другие. Это компании из совершенно различных сфер: и производство, и финансовые услуги, и исследовательский бизнес. Все они ищут в своих отраслях узкие места, где квантовый компьютер поможет в будущем получить технологическое преимущество за счет решения вычислительных задач.

Именно так я бы и сформулировал второй вызов, который стоит перед исследователями в этой области, — поиск новых приложений, квантовых алгоритмов и неожиданных решений, где квантовый компьютер может быть полезен. Только за счет ресурса алгоритмистов мы можем понять истинный потенциал квантовых вычислений. Возможно, с ними будет та же история, что и с классическим компьютером: больший экономический эффект окажется совсем не в той сфере, для которой он изначально создавался. В свое время компьютеры разрабатывали, чтобы решать дифференциальные уравнения — запускать спутники и ракеты. И на тот момент никто не думал, что возникнет такая большая индустрия, как игровая.

Аналогичная ситуация сейчас и с квантовым компьютером. Мы понимаем, что это инструмент решения задач оптимизации и моделирования. Но, возможно, мы не видим того самого неожиданного и интересного применения, которое у него будет. 

Так что сегодня поле конкуренции — не только в области разработки железа, но и в сфере разработки софта и алгоритмов. Мы в Российском квантовом центре тоже активно работаем, создавая облачные платформы доступа к квантовым компьютерам, и пытаемся с помощью индустриальных партнеров решать на них задачи. У нас есть заказчики, т.е. мы работаем не только в интересах фундаментальной науки, но и для индустрии. По всей видимости, одним из основных заказчиков в ближайшее время будет нефтегазовая отрасль, поскольку она нагружена задачами химического моделирования и оптимизации производственных процессов и логистики. Кстати, кроме нас свою дорожную карту развития квантовых вычислений сформировали и в Росатоме.

Кроме того, мы работаем совместно с иностранными компаниями, например с Nissan. Автомобильной индустрии квантовый компьютер поможет с химическим моделированием в процессе разработки нового поколения аккумуляторных батарей. Речь здесь идет не только о железе, но и о соответствующих алгоритмах. Мы этим активно занимаемся. А более долгосрочную перспективу мы видим в фармакологии, генетике, медицине и науках о жизни в широком смысле. В будущем это будут большие заказчики для квантовых алгоритмов.

Квантовая и постквантовая криптография

Если будет создан достаточно мощный квантовый компьютер, способный многократно быстрее, чем это позволяют классические методы, раскладывать числа на простые множители, мы столкнемся с темной стороной квантовых вычислений. Может показаться, что эта задача далека от нас. Однако каждый раз, когда мы заходим в интернет, наши данные шифруются при помощи алгоритмов, стойкость которых обусловлена невозможностью быстро решить такую математическую задачу.

Легко перемножить два числа, но сказать, из каких простых множителей состоит заданное достаточно большое число, — сложная задача. Эффективного классического алгоритма, который мог бы быстро решить эту задачу, нет. Однако в 1994 году американский математик Питер Шор (Peter Shor) показал, что, когда квантовый компьютер будет создан, он сможет решить эту задачу очень быстро. Для решения задачи, на которую классическому компьютеру потребовался бы миллион лет, квантовому компьютеру будет достаточно 10 часов.

Стоит отметить, что для практической реализации взлома квантовый компьютер должен быть многократно мощнее тех, что доступны на данный момент. Сейчас квантовые системы имеют не более 100 кубит. А для взлома RSA даже предыдущего поколения требуется как минимум 20 миллионов. Так что произойдет это не завтра. Но риск для представляющей долгосрочный интерес информации, скажем медицинской или генетической, нужно рассматривать уже сегодня. 

Для таких задач уже сейчас нужно применять инструменты, устойчивые к взлому с помощью квантовых компьютеров. Подобных инструментов два: квантовая и постквантовая криптография.

Идея квантовой криптографии состоит в том, чтобы кодировать информацию в одиночные квантовые состояния. За счет невозможности скопировать или измерить состояние, не внеся какое-то изменение, можно гарантировать отсутствие неконтролируемого вмешательства в процесс передачи информации (конфиденциальность), даже если злоумышленник обладает всеми возможными техническими средствами, включая квантовый компьютер, и никак не ограничен с точки зрения вычислительных ресурсов. 

Когда квантовые компьютеры появятся и станут экономически эффективны, точно не известно. Но сети квантовой криптографии уже активно развертываются по всему миру. Они уже прототипировались в США и Европе. А наибольшая создана в Китае — это магистральная сеть протяженностью больше 4 тыс. км, включающая как наземный, так и спутниковый сегмент. Сегодня этой сетью пользуются банки для обмена регуляторной информацией и для защиты наиболее чувствительных данных, подпадающих под категорию долгосрочной безопасности.

Эти технологии активно развиваются и в России. У нас строятся как отдельные устройства, так и сети квантовых коммуникаций.

К 2024 году планируется создать сеть квантовых коммуникаций протяженностью 7 тыс. км. Первый сегмент этой сети уже построен между Москвой и Санкт-Петербургом.

В этом году в Москве появились университетские сети. К одной из них реализован открытый облачный доступ — с использованием этой квантовой сети можно создавать собственные приложения. Она расширяемая, т.е. можно добавлять новые устройства, прототипировать протоколы обмена и взаимодействия.

У квантовой криптографии есть интересные новые приложения, например защита управляющей информации для беспилотных транспортных средств, априори устойчивая к атакам.

Квантовая криптография — аппаратное решение, требующее разработки новых устройств, которые генерируют квантовые состояния. Но инфраструктурный подход — не единственный. Альтернатива — постквантовая криптография.

Существует миф, согласно которому квантовый компьютер сможет решать все задачи. Но это не совсем так. 

Сегодня мы уже понимаем, что класс задач, в которых квантовый компьютер дает ускорение, ограничен. Существуют задачи, для которых мы не знаем эффективных квантовых алгоритмов. На них можно строить новую криптографию с открытым ключом, которая будет устойчива даже при наличии у злоумышленника квантового компьютера.

Постквантовая криптография — программное решение, т.е. фактически новая библиотека криптографических алгоритмов. Поэтому она разрабатывается и стандартизируется уже сегодня.

К 2024 году Национальный институт стандартов и технологий США должен будет закончить работу над постквантовой криптографией. В России аналогичным стандартом занимается Технический комитет 26. Так что вполне возможно, что квантовая и постквантовая криптография появятся гораздо раньше, чем сами квантовые компьютеры. Благодаря работе в этом направлении, в какой-то момент мы проснемся и увидим, что интернет-соединение защищено новыми алгоритмами, которые построены с учетом возможного появления у злоумышленника квантового компьютера.

Квантовая метрология и сенсорика

Про это направление говорят сравнительно меньше, нежели про квантовые вычисления и коммуникации. Факт хрупкости квантовых систем, когда неконтролируемое воздействие окружения может легко их разрушить, имеет и положительную сторону. На его основе можно создать высокочувствительные системы для измерения магнитных полей, температуры и других параметров, применяя их в интернете вещей или при создании более точной системы глобального позиционирования.

Это очень интересное направление, которое позволяет ответить на большое количество сложных вызовов. Но, чтобы оно по-настоящему раскрыло свой потенциал, нужна концентрация интеллектуальных ресурсов. Здесь есть множество задач для людей с разным бэкграундом. 

Квантовое будущее

Мы находимся на пороге экспоненциального роста. Мы прошли этап последовательного развития: идея квантового компьютера родилась еще в 1980-х годах, но за последние пять лет мы видим значительный рост мощности квантовых компьютеров. Количество кубитов увеличивается, мы уже наблюдаем превосходство квантовых вычислений на абстрактных задачах. Осталось конвертировать его в превосходство на прикладных задачах. Это повлечет за собой новых заказчиков квантовых технологий и запустит тот самый цикл производительности — выведет нас на следующую экспоненту роста.