Можно выделить два направления развития инфраструктуры квантовых вычислений: больше кубитов или больше чипов, объединенных в сеть. Посмотрим, кто занимается такими проектами и что в целом происходит с квантовыми коммуникациями в мире.
Два пути
Редактор журнала The Next Platform, посвящённого облачным технологиям, аппаратному обеспечению и ИТ-инновациям, привёл любопытную метафору. Он сравнил современные дискуссии в индустрии квантовых вычислений с семейной поездкой на машине: «Кто-то постоянно спрашивает: "Мы уже приехали?" — и в ответ неизменно слышит: "Ещё нет, но скоро". При этом каждый волен трактовать это "скоро" по-своему». И сегодня компании продолжают наращивать число кубитов в разрабатываемых ими чипах.
За последнее время сразу несколько крупных организаций показали новые решения в этой области. Так, в Amazon представили собственные квантовый чип, технология производства которого в перспективе позволит масштабировать архитектуру до 100 тыс. кубитов. Компания Microsoft, в свою очередь, анонсировала чип Majorana 1 — и по заявлениям разработчиков, его архитектура якобы способна вместить до миллиона кубитов. Параллельно IBM работает над процессором Quantum Nighthawk, который может реализовать квантовые схемы с 5 тыс. логических вентилей [к 2028 году их число планируют увеличить в три раза]. В то же время Nvidia намерена открыть собственную лабораторию, сотрудники которой тоже займутся развитием квантовых технологий.
Если взглянуть на отечественный рынок, то недавно группа исследователей из МФТИ представила оригинальную схему квантового процессора на 40 сверхпроводниковых кубитах. Собственную технологию создания квантовых логических элементов также разработали специалисты из объединенного центра МГТУ и ВНИИА. В перспективе она позволит изготавливать квантовые процессоры с тысячами кубитов.
В целом же за последнее время сразу несколько компаний, занимающихся квантовыми разработками, опубликовали дорожные карты с планами преодолеть планку в 10 тыс. физических кубитов в течение пяти лет, а это — важный майлстоун. Достижение такого уровня позволит реализовать больше 100 логических кубитов, что необходимо для выполнения сложных вычислений с минимальным уровнем ошибок. В то же время, по оценкам специалистов из Google и Королевского технологического института в Стокгольме, для факторизации 2048-битного RSA-ключа потребуется квантовый компьютер с 20 млн физических кубитов. Разумеется, подобная оценка включала в себя некоторое количество допущений, однако задача построения чипа с миллионами кубитов все равно выглядит титанической. Поэтому все чаще звучит мнение, что будущее квантовых вычислений связано с распределенными вычислениями по аналогии с облаком — компактные системы, объединенные сетями в квантовые дата-центры (QDC).
Так, архитектуру для сетей таких квантовых ЦОД представила компания Cisco в январе 2025 года. При этом разработчики вдохновлялись классическими топологиями вроде Fat Tree, BCube, DCell и сетями Клоза. В основе их проекта лежит динамическая квантовая сеть с коммутацией каналов, которая отвечает за распределение запутанности между квантовыми процессорами. И как бы продолжая эту работу, в начале мая Cisco показали прототип чипа, способного связать несколько квантовых компьютеров в единую сеть. Инженеры применили технологию спонтанного четырёхволнового смешения (FWM) в волноводах из полупроводников III-V группы, размещенных на кремниевой подложке. Чип генерирует более миллиона запутанных фотонных пар в секунду в каждом канале и может работать при комнатной температуре — что позволяет использовать его даже в современных дата-центрах. По словам представителей компании, область применения технологии не ограничивается квантовыми вычислениями. Например, она может быть полезна брокерам и трейдинговым компаниям для синхронизации биржевых сделок.
Над проектом в области распределенных квантовых вычислений также работают инженеры из Кларендонской лаборатории в Оксфордском университете [эта та самая лаборатория, рядом с которой выставлен знаменитый Оксфордский электрический звонок]. Учёные провели серию экспериментов с использованием ионных модулей, установленных на расстоянии двух метров и соединённых фотонной сетью. Каждый модуль содержал два иона: один выполнял функцию сетевого кубита, второй — вычислительного. Результаты тестов показали, что удалённые квантовые модули могут работать как единая система. Как пишут исследователи в своей научной работе, опубликованной в журнале Nature в феврале этого года, на основе их подхода можно построить распределенную квантовую архитектуру.
На классической инфраструктуре
На фоне развития квантовых чипов и инфраструктуры внимание также уделяется направлению квантовых коммуникаций. Эта технология обеспечивает безопасную передачу данных на расстоянии. Обмен ключами шифрования происходит с помощью фотонов, которые невозможно «подслушать» незаметно, — любая попытка перехвата приводит к их разрушению. Одним из лидеров в сфере квантовых коммуникаций остается Поднебесная. В марте этого года команда китайских инженеров отправила два фотона по спутниковой связи между городом Цзинань и городом Стелленбош в ЮАР — расстояние составило порядка 12,9 тыс. километров. Новый эксперимент побил рекорд пятилетней давности — 1,1 тыс. километров — установленный той же группой специалистов.
Собственный проект по реализации подобных сетей есть и в Евросоюзе. ЕС инвестирует в спутниковую систему SAGA — несколько стран-участниц и исследовательских институтов работают над интеграцией технологий квантового распределения ключей в европейскую инфраструктуру связи. Но параллельно со спутниковыми технологиями, тестируют и наземные квантовые решения. В апреле этого года группа ученых из европейского подразделения Toshiba успешно передала защищенную информацию на расстояние 254 км по коммерческому оптоволоконному каналу. Команда использовала метод TF-QKD, основанный на интерференции слабых световых импульсов, для генерации ключей шифрования. Хотя эксперимент не прошел без сложностей — несмотря на успешные предварительные тесты, в самый ответственный момент один из квантовых каналов вышел из строя. Ученые потратили несколько часов на диагностику, последовательно исключая возможные причины. В итоге выяснилось, что за неделю до испытаний оптоволоконный кабель был поврежден — это и стало причиной сбоя.
В США же квантовые сети пока воспринимаются сдержанно — в основном там ограничиваются исследовательскими инициативами. А вот в России эта технология развивается и внедряется. В начале года у нас сертифицировали первое оборудование для квантовых коммуникаций. А уже в следующем году РЖД вместе с телекомами начнет предоставлять услуги в этой сфере, используя собственную квантовую сеть протяжённостью более 7 тыс. километров. Среди ключевых направлений — защита корпоративных данных и обеспечение безопасности магистральных каналов в ЦОД.
В то же время ученые из МГУ работают над спутниковой системой квантовой связи. Они планируют поставить два наземных терминала (в Москве и Кисловодске) и передавать между ними данные посредством кубсата с системой распределения квантовых ключей. В теории, такой подход сможет «доставить» защищенную квантовую связь даже в удаленные регионы нашей страны.
Больше о перспективных технологиях в нашем блоге:
Перспективы 6G и системный подход к мобильным сетям — что почитать. Делимся руководствами, аналитикой и исследованиями для желающих погрузиться в архитектуру мобильных сетей: принципы работы сетевого оборудования, схемы связи, методы кэширования, развитие 5G и 6G, а также физическую природу волн. Вся литература открытая, находится в свободном доступе.
Сетевые технологии с нуля [или почти с нуля]: подборка книг. Еще одна подборка литературы — на этот раз о принципах построения сетей. Материалы про программирование сетей, переход с IPv4 на IPv6 и суть работы коммуникаций.
Исследования возможностей нейронных сетей глубокого обучения в распознавании маскируемого трафика. Рассматриваем новый подход к классификации прикладных протоколов в сетевых пакетах. Вместо SNI или статистического машинного обучения мы предлагаем использовать глубокое МО. Рассказываем, как мы обучали нейронку на базе архитектур СНС и ResNet.
Цифровые двойники для вышек связи и самооптимизирующиеся сети — как телекомы и интернет-провайдеры используют системы ИИ. Погружаемся в тему машинного обучения и систем ИИ. Они уже помогают операторам связи решать задачи классификации трафика и повышать энергоэффективность сетей. Обсуждаем, какие есть сложности, делимся ссылками на статьи и научные работы.
Как идет миграция на IPv6 — мнения и версии. Джефф Хьюстон, главный научный сотрудник интернет-регистратора APNIC, не ждет, что переход на протокол нового поколения завершится в ближайшие десять лет. Мы решили обсудить мнения представителей индустрии на этот счет. Некоторые действительно считают, что IPv6 успел «устареть», другие утверждают — для протокола не все потеряно.