Поделиться
Алексей Федоров, Российский квантовый центр: Бизнес сможет использовать квантовые компьютеры через 3-5 лет
В работе с данными назревает революционный прорыв, связанный с квантовыми технологиями. Пока их сложно применять на практике и извлекать из этого реальную выгоду — однако в ближайшем будущем это станет возможно. Об этом в интервью CNews рассказал Алексей Федоров, глава научной группы «Квантовые информационные технологии» в Российском квантовом центре и директор Института физики и квантовой инженерии Национального исследовательского технологического университета МИСиС.
«Интенсивнее пока развиваются квантовые вычисления»
CNews: Квантовые коммуникации и квантовые вычисления — какое направление у нас в стране развивается активнее и почему?
Алексей Федоров: Первая идея современных квантовых технологий заключается в управлении индивидуальными квантовыми системами. Рассмотрим, например, задачу передачи информации. Кодирование информации в одиночные квантовые объекты обеспечивает конфиденциальность: невозможность что-то прочитать и скопировать без того, чтобы себя обнаружить.
Другая идея — это обработка информации с использованием индивидуальных квантовых систем — концепция квантовых компьютеров. И для решения определенных задач квартовые компьютеры могут оказаться эффективнее классических и суперкомпьютеров.
Также можно использовать квантовые системы для детектирования информации об окружающей среде — это лежит в основе квантовой сенсорики и метрологии. Это направление активно развивают во всем мире. В России тоже есть научные группы, которые занимаются этим направлением. Например, создаются детекторы одиночных фотонов и магнитные сенсоры.
Серьезным драйвером развития квантовых технологий у нас в стране стали дорожные карты РЖД и «Росатома», которые предполагают долгосрочное развитие квантовых вычислений и коммуникаций. За последние годы очень интенсивный прогресс наблюдается в квантовых вычислениях.
CNews: Какие можно выделить ключевые мировые тренды в этой области?
Алексей Федоров: Сейчас все усилия ученых направлены на наращивание вычислительных возможностей квантовых компьютеров. Если проводить аналогию с классическими компьютерами, когда-то в качестве масштабируемой базы начали использовать кремниевую электронику. За счет удачно выбранной технологической платформы год от года компьютеры становились мощнее и мощнее. Такую же задачу по выбору элементной базы, которая обеспечила бы рост мощности, необходимо решить и для квантовых компьютеров.
Сейчас Google располагает 70-кубитным процессором Sycamore — он смог за 6,5 секунд выполнить расчеты, которые потребовали бы от самого мощного классического суперкомпьютера планеты 47 лет вычислений.
IBM представила самый большой квантовый процессор в мире — Osprey, который может похвастаться массивными 433 квантовыми битами (кубитами). Работу Osprey по решению какой-либо задачи и его технические характеристики пока не показали. Эти системы построены на основе сверхпроводниковых процессоров.
Кроме того, ведется работа с ионами, в которых показаны системы их 30-40 кубитов, нейтральными атомами с максимальными регистрами, доходящими до 256 атомов, однако неработающими в кубитном режиме, фотонные процессоры с 255 фотонами, а также несколько перспективных платформ, которые активно развиваются последние годы. Пока непонятно, какая платформа станет лидирующей, возможна ситуация, при которой произойдет специализация квантовых процессоров на решении тех или иных классов задач. Например, уже сейчас сверхпроводниковые и ионные системы часто используют для химического моделирования, а атомные — для оптимизации.
В то же время надо понимать, что мощность вычислительной системы измеряется не только этими параметрами — числами кубитов или атомов — важно, чтобы на ней можно работать и решать сложные вычислительные задачи. Для этого помимо количества кубитов необходимо работать над качеством контроля над квантовыми состояниями, повышая точность выполнения квантовых операций.
Второй тренд — квантовым технологиям необходимо найти полезное применение. Сейчас все чаще говорят о том, что возможен прорыв в области машинного обучения, и квантовый компьютер совсем скоро можно будет использовать для этих целей. Первые эксперименты по квантовому машинному обучению с помощью квантовых компьютеров уже проводятся: например, их используют для задач классификации изображений.
Если говорить о достижениях российских ученых, главное за последние годы — это 16-кубитные квантовые процессоры на основе ионов и атомов. Ионный квантовый компьютер уже был использован для решения задач квантовой химии и машинного обучения.
CNews: В мае 2022 г. ученые из Российского квантового центра запатентовали новую архитектуру квантового процессора на основе кудитов. Аналогичные разработки есть только у трех государств: США, Китая и Австрии. Какую практическую ценность несет новая архитектура, и почему это важно?
Алексей Федоров: Мы развиваем оригинальную технологию масштабирования квантовых процессоров. Если очевидный подход заключается в том, чтобы для увеличения мощности наращивать число кубитов,, мы рассматриваем возможность увеличить количество информации, которую мы можем в них закодировать, в каждую отдельную квантовую систему. Это может быть эффективнее: часть операций можно будет выполнять без обеспечения взаимодействия между разными носителями информации, а внутри одной квантовой системы.
Квантовые системы, в которых мы используем для вычисления атомы, ионы, частицы света, фотоны, позволяют нам кодировать информацию в гораздо большем количестве состояний, чем два. В этом идея кудитов — многоуровневых квантовых систем, в которых может быть 3, 4, 5 уровней и так далее. Мы придумали архитектуру квантового процессора, которая позволяет оптимально задействовать дополнительные уровни, чтобы реализовать какой-либо квантовый алгоритм.
Когда мы стартовали с этой разработкой, действительно существовали лишь три аналога такой системы в США, Китае и Австрии. Сейчас число стран, которые разрабатывают квантовые процессоры на основе кудитов, увеличивается день ото дня. По этой теме выходит 5-7 препринтов в неделю, а иногда и больше.
CNews: В то же время нам явно далеко не все известно о разработках в этой области, например, китайские ученые многое держат в секрете.
Алексей Федоров: Да, это стратегически важная отрасль, поэтому не все и всем нужно рассказывать, и коллеги из других стран придерживаются баланса. Есть открытые публикации, в которых рассказывается о достижениях, но очевидно, что там идет явно более масштабная работа.
CNews: Еще одно недавнее изобретение российских ученых — новый метод создания квантовой запутанности, предложенный исследователями из МИСиС. В чем он заключается?
Алексей Федоров: Это метод, позволяющий формировать связи между произвольными трехуровневыми кубитами. По сути, мы разработали протокол, который позволяет связывать отдельные кутриты в одномерных цепочках из подобных объектов.
Этот подход интересен с разных точек зрения. Например, его можно реализовать на физических платформах, чтобы изучать интересные физические явления: создавать необычные квантовые фазы материй. В дальнейшем разработанный протокол можно будет использовать и для более практических целей: например, для процесса калибровки коммерческих квантовых компьютеров на базе многоуровневых кубитов — кудитов.
Пока разработка находится на этапе математической модели, проводятся численные эксперименты. При первой возможности мы будем ее тестировать на реальном «железе».
«Нужны специалисты, которые умеют поддерживать квантовые системы»
CNews: Что еще сейчас на повестке дня у РКЦ и ученых МИСиС?
Алексей Федоров: В основном мы выстраиваем свою работу вокруг квантовых вычислений, устройств квантовой обработки информации, увеличения их вычислительных возможностей. Кроме того, решение первых практических задач с их помощью интересует как РКЦ, так и МИСиС.
Также важно обеспечить отрасль заинтересованными кадрами. С 2024 года в Университете МИСиС будет запущен первый набор на магистерскую программу «Физика и квантовая инженерия» по направлению прикладной физики и математики. Подобные образовательные программы сейчас есть в МФТИ, МИФИ и МГУ.
CNews: Квантовая отрасль отличается наукоемкостью, и очевидно, что для ее развития необходима серьезная академическая школа. Она достаточно развита у нас в стране? Нет ли недостатка высококвалифицированных специалистов, которые могут этим заниматься?
Алексей Федоров: В России достаточно хорошая школа по теоретической и экспериментальной физике, а также математике. Что касается разработки квантовых технологий, тут нужен баланс между сильной академической подготовкой и умением решать практические задач.
Если, например, в квантовых коммуникациях еще несколько лет назад нужны были специалисты, которые в целом могут разрабатывать квантовые системы, то уже сейчас требуются и те, кто будет их обеспечивать их внедрение, обслуживать и поддерживать. Здесь необходима подготовка на стыке квантовых технологий, телекоммуникаций и информационной безопасности.
CNews: Как вы считаете, развитие этой области как-то затормозили ограничения, связанные с невозможностью российских ученых посещать международные научные конференции, публиковаться в научных журналах?
Алексей Федоров: У российских ученых есть опыт работы с научными группами из разных стран, но из-за давления продолжить работу не всегда оказывается возможным. Мы видим, что нашим западным коллегам закрывают возможности для коллабораций. Это, конечно, плохо, научная часть разработок должна быть доступной для всех, должны быть открытые дискуссии.
Несмотря на это, совсем недавно у нас вышло несколько научных статьей в области фундаментальных вопросов в сфере квантовых вычислений, написанных совместно с коллегами из Франции, США, Швейцарии и Нидерландов. Но такие коллаборации сейчас выстраиваются в основном на личном уровне. Было бы замечательно такое взаимодействие сохранить.
В то же время активнее сейчас идет работа с проектами из Китая и Индии, наши ученые начали чаще с ними встречаться, обсуждать возможности для сотрудничества. В Индии не так давно была принята программа по развитию квантовых технологий, до 2031 года на ее реализацию потратят около миллиарда долларов.
А летом 2023 г. на международной конференции по квантовым технологиям были представлены результаты совместного эксперимента по спутниковым квантовым коммуникациям между РФ и Китаем: было установлено квантово-защищенное соединение и произведен обмен квантово-зашифрованными сообщениями.
CNews: Что сейчас помогает и мешает развитию этой отрасли?
Алексей Федоров: Возможностей для развития много, однако есть и технологические вызовы.
Понятно, что для обеспечения квантовых технологий нужна и оптика, и электроника, и лазеры, и камеры, и вакуумное оборудование, и холодильники.
Осложняет ситуацию существенное внешнее давление, отрасль квантовых технологий попала под жесткие санкции. Так, под ограничениями оказались российские технологические компании, занимающиеся исследованиями в области физики, космоса и квантовых вычислений.
CNews: Лидерство в области квантовой связи сегодня принадлежит Китаю, в квантовых вычислениях — США. Какими способами Россия может сократить технологическое отставание?
Алексей Федоров: Китайцы по квантовым вычислениям сегодня фактически сравнялись с американцами. А по патентным разработкам Китай уже обогнал США. Что касается строительства сетей квантовой связи, сети наземных квантовых коммуникаций и спутниковому сегменту — они впереди.
Одна из целей соответствующей дорожной карты в России — создание сети квантовых коммуникаций, и по техническим характеристикам некоторые наши устройства сопоставимы с китайскими и другими известными аналогами.
Другой вопрос в том, что в Китае разработку исследований и масштабирование опыта по построению квантовых сетей — магистральных и городских — поддерживают уже несколько лет, запуск спутников там случился около шести лет назад. И сейчас перед ними уже не столько задача по строительству инфраструктуры для квантовых систем, сколько по масштабированию приложений и их внедрению. Известно, что такой квантовой сетью уже пользуются банки и некоторые коммерческие компании.
Возвращаясь к квантовым вычислениям, если сравнивать Россию и другие страны по абсолютному количеству кубитов, мы увидим отставание, но динамика по их росту хороша. Например, в 2020 году мы — Российский квантовый центр и ФИАН им. П. Н. Лебедева, стартовали фактически с нуля кубитов по ионам. А сейчас их 16. Мы понимаем, как по этому направлению можно было бы сокращать отставание.
Хорошее развитие у нас и в области ультрахолодных нейтральных атомов, хотя сейчас отставание выглядит серьезным: в мире есть работы с системами с 256 атомами, тогда как атомный квантовый компьютер, созданный в МГУ и РКЦ, работает с 16 кубитами. Однако все же нужно принимать во внимание, что системы с 256 атомами работают в режиме специализированного квантового процессора, тогда как цель в Дорожной карте — универсальные квантовые процессоры.
CNews: Дорожная карта развития квантовых технологий в России предполагает общий бюджет поддержки примерно в 58,8 млрд руб. ($753,6 млн) до 2024 года. Эксперты считают, что в сравнении с объемами бюджетов стран-лидеров, вроде США и Китая, в развитии квантовых технологий эта цифра невелика — какое у вас мнение на этот счет? По вашему мнению, государственные или частные инвестиции сейчас двигают отрасль в других странах?
Алексей Федоров: Мне кажется, нет смысла обсуждать количество выделенных денег в отрыве от концепции развития технологии. Сейчас бюджет отвечает поставленным целям, и их можно достичь, особенно через механизмы дорожной карты. Изменятся цели — поддержку можно масштабировать.
В России мы видим смешанную систему финансирования отрасли. Так, РКЦ — это частный научный центр, который получил существенную поддержку со стороны частного инвестора. Это позволило ему быстро стартовать и стать лидирующим центром в области квантовых технологий в стране.
Сейчас частный инвестор — это в том числе и заказчик, он не только поддерживает отрасль, но и готов потом заниматься внедрением. У нас уже ведутся первые работы с Росатомом по внедрению квантовых алгоритмов в атомную отрасль, например, для решения задач оптимизации.
Что касается других стран, там практикуют различные способы, в Китае, к примеру, удельная доля господдержки выше.
«Квантовые технологии интересны компаниям, хотя еще не достигли зрелости»
CNews: На каком этапе у нас сейчас находится разработка квантового компьютера, когда его можно будет применять на практике?Когда бизнес сможет им воспользоваться и для чего это может быть необходимо?
Алексей Федоров: Пока мы видим, что квантовый компьютер не решает практические экономически востребованные задачи быстрее, чем суперкомпьютер. При этом год от года его возможности улучшаются. В перспективе 3-5 лет мы увидим первые результаты прикладного применения квантового компьютера, и тогда он станет полезен бизнесу. Скорее всего, речь будет идти об отдельных направлениях, например, машинном обучении.
В горизонте 7-10 лет этот опыт будет масштабироваться, появлению новых прикладных решений будет сопутствовать рост вычислительных возможностей квантовых компьютеров. Пока же мощность «железа» наращивается, бизнес тестирует такие решения, хоть и без экономической эффективности.
CNews: Аналитики прогнозируют, что выигрыш от использования квантовых систем четырех самых продвинутых индустрий (финансовой, автомобильной, химической и фармацевтической) составит $620–$1270 млрд уже к 2035 г. А как вы считаете, каким отраслям бизнеса квантовые технологии в ближайшем будущем могут быть интереснее всего?
Алексей Федоров: В технологиях, связанных с обработкой данных, заинтересованы финансовый сектор и атомная индустрия, логистика нефтегазовая и металлургическая отрасли. В общем, различные промышленные направления, связанные с решением сложных вычислительных задач.
В фармакологии эти разработки также будут актуальны. Кстати, в этом году в рамках наших исследований мы использовали генеративный алгоритм на основе квантового машинного обучения и обнаружили набор молекул с лекарственными свойствами.
Стоит отметить, что и в России, и в мире компании активно пробуют квантовые технологии, хотя они находятся на ранней стадии развития. Они тестируют их, стараясь получить прототип, пока технология не достигнет нужного уровня зрелости.
CNews: Когда квантовые технологии станут массовыми и доступными, снизится стоимость внедрения? Что должно произойти?
Алексей Федоров: В каком-то смысле они уже массовые и доступные в плане исследований и образования. Сегодня проводится огромное количество экспериментов с использованием квантовых компьютеров. Тут можно провести аналогию с разработкой лазера — ведь он длительное время был очень востребованным инструментом в лабораториях, и лишь потом превратился в инструмент, ориентированный на решение конечных проблем потребителей.
Краткая биография
Алексей Федоров
- С 2012 г. работает в Российском квантовом центре (РКЦ)
- В 2015 г. возглавил проект по разработке программной платформы для обработки ключей для устройств квантовой криптографии
- С 2018 г. работает над проектами «КуАпп» по созданию постквантовых криптографических алгоритмов и «КуБорд» по разработке облачной платформы для квантовых вычислений
- С 2019 г. руководит научной группой «Квантовые информационные технологии» РКЦ.
- С 2022 г. возглавляет лабораторию Университета МИСиС в рамках стратегического проекта «Квантовый интернет»
Что касается дороговизны внедрения, стоимость суперкомпьютера тоже немаленькая, но им уже активно пользуются. А чтобы понять, во сколько обойдется эксплуатация, нужно сопоставить стоимость одного вычислительного часа на суперкомпьютере и на квантовом компьютере. Уже сейчас видно, что это могут быть соизмеримые цифры.
К слову, интернет изначально тоже строился как специализированная инфраструктура, и конечным пользователям обходился очень дорого. А затем стал более дешевым и доступным — по мере технологического развития и появления приложений. Так и с квантовыми технологиями — стоимость внедрения постепенно будет снижаться по мере их развития.
CNews: Квантовые коммуникации уже функционируют в пилотных режимах в некоторых российских госкомпаниях, например, в РЖД и «Ростелекоме» — это шаг к тому, чтобы технология стала массовой?
Алексей Федоров: Да, это серьезная веха в развитии рынка, очень хорошо, когда крупные компании инвестируют свое время, ресурсы и внимание в такие технологии. Мы участвовали в разных проектах, в том числе для Росатома и Ростелекома, демонстрация технологий на практике — это очень важно. Тем более что квантовые коммуникации уже достаточно дозрели, чтобы активно пилотироваться. Сейчас идет работа по совершенствованию технических требований к ним.
Что касается квантовых компьютеров, как я уже говорил, пока их возможностей не хватает, чтобы решать задачи быстрее и давать экономическую эффективность, но все начинается с маленьких проектов. Это путь, который заказчик и разработчик должны пройти навстречу друг другу. С одной стороны, должна расти мощность компьютеров, с другой — спрос на них.
«Постквантовые алгоритмы необходимы как элемент гарантированной защиты информации»
CNews: Квантовое, постквантовое шифрование — сейчас этим активно интересуются банки, в госсекторе тоже идут разговоры на этот счет. Насколько это эффективная технология защита данных, распространена ли она за рубежом? Это действительно наше будущее и стоит здесь ускоряться?
Алексей Федоров: Да, сейчас ведется работа над созданием стандартов такого шифрования, РКЦ участвует в этом процессе, и это станет серьезным драйвером развития этого направления.
Как квантовое распределение ключей, так и постквантовые алгоритмы необходимы как элемент гарантированной защиты информации в эпоху квантовых компьютеров. Внедрять и пилотировать такое квантовое распределение ключей на текущем этапе их развития уже можно достаточно быстро. К примеру, там, где есть высоконагруженные системы, можно гарантировать быструю смену ключей, и относительно легко интегрировать квантовое распределение ключей с текущими системами шифрования. Если говорить о пользовательских коммуникациях, мобильных приложениях, личных кабинетах, цифровых подписях, то в этом случае уже может использоваться постквантовая криптография.
В мире постквантовое шифрование активно развивается, появляется большое количество стартапов, которые предлагают конкретные бизнес-решения. В экосистеме РКЦ тоже есть стартап в области квантового распределения ключей «КуРэйт», так и постквантовых алгоритмов «КуАпп».
В первом случае основной продукт — промышленная система для квантового распределения ключей, которая может быть интегрирована в системы шифрования, например, «Кода безопасности». Во втором случае разрабатываются алгоритмы, библиотеки и продукты на основе постквантовой криптографии.
CNews: Расскажите о квантовых сенсорах — как они работают и каким компаниям эта технология могла бы быть интересна? Где в мире они широко применяются?
Алексей Федоров: Сложность анализа темы квантовой сенсорики связана с ее многогранностью: подходов, физических платформ и принципов достаточно много.
Я бы выделил три направления: квантовые часы для навигации, биомедицинские квантовые сенсоры и детекторы одиночных фотонов. Кстати, в России в направлении атомных часов больших успехов достиг ФИАН. По биомедицинским сенсорам одна из наиболее известных компаний — QDTI, которая использует азото-замещенные вакансии в алмазах для измерения магнитных полей в медицинских целях.
В России магнитной сенсорикой в медицинских целях занимается ряд научных групп, в частности, стартап QLU, разрабатывающий приборы для магнитоэнцефалографии. Если говорить о детекторах одиночных фотонов — такие продукты есть и в России, и в мире, то они востребованы как компоненты для других квантовых технологий — устройств квантовых коммуникаций и квантовых вычислений.
Короткая ссылка
