Как квантовые технологии могут изменить будущий облик всего мира

Что такое квантовые технологии и какими они бывают? Как они смогут изменить мир и обеспечить национальное развитие целых государств? Кто в мире толкает кванты вперед и на каком месте в этой гонке Россия? При чем тут крупнейшие банки и почему один из них (Газпромбанк) вложил в эту отрасль 1 млрд руб.? Обо всем этом — в материале «Ъ-Науки».

Что такое квантовые технологии

Открытие квантовой механики в начале XX века в конечном итоге подарило человечеству большинство технологий, которыми запомнилось то столетие: ядерное оружие, лазеры, ускорители частиц, МРТ, да и вся полупроводниковая электроника в целом — от транзисторов и светодиодов до компьютеров, мобильной связи и интернета. В основу всех этих технологий и устройств легло управление коллективными квантовыми явлениями — то есть такими, которые подразумевают взаимодействия на уровне потоков частиц, полей и различных сред.

Тот период развития физики и технологий принято называть первой квантовой революцией. К самому же концу XX века ученые научились управлять сложными квантовыми системами на уровне их самых базовых компонентов — то есть манипулировать отдельными атомами и даже элементарными частицами, например фотонами. И это открыло путь к эпохе второй квантовой революции, в самом начале которой мы сегодня живем.

«Квантовая физика однажды навсегда изменила повседневную жизнь людей. Об этом мало кто задумывался, но эра цифровых технологий, в которой мы живем, основана на достижениях в этой науке, ставших неотъемлемой частью нашей повседневности. Дальнейшее развитие квантовых технологий уже через пять-десять лет сможет привести к созданию устройств, которые до недавнего времени описывались лишь на страницах научной фантастики»,— уверен генеральный директор Российского квантового центра и руководитель проекта «Росатома» по созданию квантового компьютера Руслан Юнусов.

Квантовые мозги

Одной из ключевых технологий, которую, как ожидается, принесет современная революция в физике, станут квантовые вычисления. Речь идет о возможности выполнять вероятностные расчеты такой сложности, которая недоступна современным суперкомпьютерам.

Это должно послужить множеству прорывов в самых разных областях — от диагностики заболеваний и разработки лекарств (благодаря точному моделированию сложнейших химических реакций и биологических процессов) до оборонной, автомобильной и космической промышленности (то же моделирование откроет путь к новым материалам, возможностям автоматического управления и многому другому), не говоря уже о фундаментальной науке.

Обеспечить такой прорыв должны квантовые компьютеры. Теоретический базис этой технологии начал закладываться в 1970-х, первые лабораторные образцы стали появляться в конце 1990-х — начале 2000-х, а сегодня такие устройства начинают находить коммерческое применение.

Традиционный современный вычислитель, тот же процессор смартфона, содержит миллиарды регистров, каждый из которых в один и тот же момент времени может находиться лишь в одном из двух состояний — либо 0, либо 1. Регистры же квантового компьютера — так называемые кубиты — находятся, если говорить грубо, в обоих состояниях одновременно, что позволяет им выполнять вычисления в миллиарды раз быстрее. В качестве кубитов используются элементарные частицы или их искусственно созданные скопления — по сути, рукотворные атомы. Носимой ими информацией выступают их квантовые характеристики — в качестве условного примера можно привести спин электрона.

Создатели квантовых компьютеров встречают две главные инженерные сложности. Первая заключаются в том, чтобы заставить кубиты стабильно сохранять когерентное состояние — то есть существовать и хранить информацию. Вторая состоит в том, чтобы обеспечить слаженное функционирование как можно большего количества кубитов одновременно. Самые совершенные квантовые компьютеры сегодня содержат десятки кубитов, тогда как для революционного прорыва в производительности их потребуется на порядки больше — от тысяч до миллионов.

Квантовая безопасность

Еще одна технология, которая готовится изменить мир,— квантовая связь. Так называют передачу информации, закодированной в квантовых состояниях элементарных частиц. Осуществляется она путем квантовой телепортации — то есть передачи информации о квантовых состояниях запутанных пар частиц. Лабораторные эксперименты по этому направлению начали проводиться в 2000-х, а сегодня ведущие научные коллективы устанавливают квантовую связь между городами.

Преимущество такой связи — в ее абсолютной защищенности. Передаваемое сообщение попросту невозможно перехватить — этому препятствует сама природа явления квантовой запутанности, которое используется при передаче. Поэтому квантовые коммуникации смогут послужить решением серьезной проблемы, к которой приведет появление достаточно сильных квантовых компьютеров — дело в том, что они будут способны быстро взламывать любые «классические» алгоритмы шифрования. Это ставит под угрозу частную, корпоративную и национальную безопасность, поэтому квантовое будущее просто немыслимо без защищенной квантовой связи.

Наконец, еще одно важное направление, развивающееся параллельно с квантовыми вычислениями и связью,— квантовая сенсорика. Высокочувствительные сенсоры и детекторы, работающие на принципах квантовых явлений, не только необходимы для развития квантовой коммуникации, но и значительно улучшат возможности многих «классических» типов связи — вплоть до дальней космической. Те же устройства значительно повысят доступные человечеству точность и разрешение измерений в самых разных областях — от медицины и биотехнологий до астрономических наблюдений.

Квантовая долина

Один из самых совершенных на данный момент квантовых компьютеров создала компания Google — он называется Sycamore и включает 54 кубита (одновременно работают из них 53). В октябре 2019 года сотрудники компании опубликовали в Nature отчет о результатах эксперимента, в ходе которого Sycamore за 200 секунд справился с вычислениями, на которые у мощнейшего суперкомпьютера ушло бы 10 тыс. лет. Таким образом, Google первой в истории достигла «квантового превосходства» в лабораторных условиях.

«Мы собираемся сделать наши последние квантовые процессоры доступными для совместной работы научных исследователей всего мира, а также для компаний, которые заинтересованы в разработке алгоритмов и поиске практического применения квантовых вычислений. Кроме того, мы стремимся как можно скорее создать более совершенный квантовый компьютер, который сможет найти целый ряд ценных применений — от создания новых материалов для автомобилей и самолетов до разработки более эффективных лекарств»,— поделился планами доктор Маркус Хоффманн, отвечающий в Google за партнерства в области квантовых вычислений.

Китайский связной

Google и IBM конкурируют в развитии квантовых вычислений с Microsoft, Intel, Honeywell и другими крупными американскими IT-игроками. А вот в квантовых коммуникациях первенство пока что уверенно держат исследователи из Китая. В 2017 году Китайская академия наук запустила первый в мире спутник квантовой связи «Мо-Цзы», успешно обеспечивший межконтинентальный канал передачи между Пекином и Веной. В том же году китайские ученые запустили первую в мире квантовую оптоволоконную линию связи протяженностью свыше 2 тыс. км, соединившую Пекин и Шанхай.

Правда, оба канала используются исключительно для обмена ключами шифрования, поскольку способны передавать лишь очень малые объемы информации. Связано это с тем, что из-за инженерных сложностей на значительные расстояния удается успешно пересылать лишь очень небольшое количество запутанных частиц.

Впрочем, в феврале 2020 года научно-исследовательская группа под руководством Пан Цзяньвэя из Научно-технического университета Китая (г. Хэфэй) добилась прорывных результатов в повышении пропускной способности квантовой связи. Им удалось повысить число фотонов, успешно добирающихся до «адресата» по оптоволоконной линии в 50  км, с 1 из 100 000 000 000 000 000 (100 квадриллионов) до 1 из 100.

«Китай на сегодняшний день без сомнения является лидером в квантовой связи,— отмечает Юнусов.— Их недавние результаты по запутыванию частиц — это большой шаг к созданию квантовых ретрансляторов, необходимых для организации полноценного квантового интернета, в котором возможна защита всей передаваемой информации от взлома. Станет ли квантовый интернет глобальным явлением? Думаю, что да, но говорить об этом еще очень рано. Его время придет с развитием квантовых вычислений, когда такая сеть сможет решать не только вопросы безопасности, но и позволит соединять квантовые компьютеры».

Как в глобальное квантовое развитие включилась Россия

Хоть и с некоторым отставанием Россия сегодня включена в мировой квантово-механический тренд. Инициатива оперативно включиться в него исходила от представителей научного сообщества, объединенных в последние годы усилиями финансируемого Газпромбанком Российского квантового центра (РКЦ). Обеспечив тесное взаимодействие передовых ученых, государства и первых лиц бизнес-сообщества, именно он буквально «пролоббировал» квантово-технологическую повестку.

Еще 10–15 лет назад было довольно непросто представить, что Россия сможет конкурировать со всем миром в развитии квантовых технологий. Да, отечественные ученые и ученые с русскими корнями всегда были сильны в этой области, однако к 2000-м большинство таких специалистов разъехались по всему свету. Представители нового поколения исследователей и инженеров, выпускаемых российскими вузами, тоже в основном уезжали — они просто не видели серьезных перспектив на родине.

В 2010 году два выпускника МФТИ — профессор физики Гарвардского университета Михаил Лукин и основатель компании Acronis Сергей Белоусов — придумали способ исправить сложившуюся ситуацию. У них появилась идея создать в России небольшую, но при этом эффективную научную организацию, которая бы проводила квантовые исследования на мировом уровне, объединив ведущих российских ученых, работающих за рубежом в самых перспективных направлениях.

Так появился РКЦ, и сегодня эту организацию можно назвать лидером развития квантовых технологий в стране. Здесь собраны сильнейшие отечественные специалисты в этой области, что подтверждается как количеством их публикаций в ведущих изданиях (Nature, Science, El Mundo и др.), так и показателями цитируемости этих работ. В 2018 году 20% всех российских статей по физике, опубликованных в группе самых высокорейтинговых журналов (Nature, Science, Reviews of Modern Physics), принадлежали сотрудникам РКЦ. Всего же с 2012 года они опубликовали более 800 статей.

Центр объединяет более 200 специалистов, работающих в 15 научных группах, которые максимально широко охватывают передовые направления квантовой физики. Квантовые симуляции, интегрированная фотоника, магнитоплазмоника, когерентная микрооптика, прецизионные квантовые измерения, квантовое машинное обучение — это лишь малая часть областей, в которых сотрудники РКЦ за последние годы получили прорывные результаты, имеющие мировое значение.

Кто управляет квантовым развитием

РКЦ как организация — во многом уникальное для России явление. В первую очередь своей моделью управления. Деятельность центра контролируют сразу два коллегиальных органа: международный консультативный и попечительский советы.

Первый из них отвечает за научную деятельность в целом. Состоит он из ведущих ученых с мировым именем — таких, как нобелевский лауреат Вольфганг Кеттерле и пионер практической реализации квантовых компьютеров Петер Цоллер. Этому совету напрямую подчиняются так называемые Principal Investigators, стоящие во главе каждой из 15 научных групп. Возглавляет его один из основателей РКЦ Михаил Лукин.

Попечительский же совет включает лидеров бизнеса и миллиардеров из списка Forbes — в том числе главу компании «Евраз» Александра Абрамова, председателя совета директоров «Северстали» Алексея Мордашова и председателя правления Газпромбанка Андрея Акимова. Этот орган обеспечивает привлечение средств, помогает с коммерциализацией разработок, отвечает за связь с индустрией и правительством. Его возглавляет второй основатель РКЦ — Сергей Белоусов.

Именно за счет такой структуры управления достигается тесная и продуктивная связь между фундаментальной наукой, передовыми инженерными разработками, реальными рынками и национальным развитием.

Кто оплачивает наше квантовое будущее

РКЦ — полностью негосударственное учреждение, которое существует на грантовые средства и частные инвестиции. Первые вложения обеспечил инноцентр «Сколково» — в 2010 году РКЦ стал одним из его первых 15 резидентов и в 2011-м получил грант на 435 млн руб. В 2015 году крупнейшим частным партнером центра стал Газпромбанк, инвестировав в его проекты 230 млн руб.

«Газпромбанк — одна из первых организаций в России, кто инвестировал в квантовые технологии»,— говорит заместитель председателя правления Газпромбанка Дмитрий Зауэрс. По его словам, для банка сотрудничество с РКЦ — это «возможность присоединиться к решению одной из самых амбициозных технологических задач, создающей недоступные ранее вычислительные и инвестиционные перспективы».

«А кроме того, реализация столь масштабных фундаментальных проектов приводит к получению множества "побочных эффектов" в виде новых продуктов и идей, которые могут быть коммерциализированы. Это создает дополнительный потенциал для роста стоимости активов группы Газпромбанка за счет будущей монетизации проектов РКЦ»,— добавляет он.

За последние три года (2017–2019) объемы финансирования РКЦ составили почти 2 млрд руб. Около трети этой суммы — 682,8 млн руб.— пришлось на гранты, полученные на фундаментальные исследования от «Сколково», научных фондов, а также в рамках совместных проектов с МИСиС и Федеральной целевой программы Минобрнауки.

Остальные две трети — 1294 млн руб.— в прикладные разработки РКЦ и его коммерческих «спин-оффов» инвестировали частные партнеры. В частности, 870,7 млн руб. вложил Газпромбанк, в результате его суммарные инвестиции в квантовую повестку за все время превысили 1 млрд руб.

«Наши инвестиции в РКЦ имеют долгосрочный эффект,— подчеркивает Зауэрс.— Это хороший пример того, как с помощью частного капитала достигается национальное и мировое технологическое развитие. Мы, как технологичный банк, напрямую заинтересованы в этом».

Рыночные технологии

В РКЦ занимаются не только фундаментальными и прикладными исследованиями, но и коммерциализацией новых технологий. В настоящий момент под крылом у центра развивается целых семь коммерческих «спин-оффов» — стартапов, разрабатывающих высококонкурентные продукты, основанные на практическом применении квантовых эффектов. Несколько таких стартапов уже начали поставки серийных продуктов.

Один из них — компания QRate, производящая оборудование для организации абсолютно защищенной квантовой связи на базе оптоволоконных сетей общего пользования. Тестируя коммерческое решение QRate, в 2016 году Газпромбанк организовал первую в стране квантово-защищенную линию связи. Она имела протяженность 30 км и связала московские офисы организации. В 2017-м аналогичной линией обзавелся еще один крупный клиент — Сбербанк.

«Квантовые коммуникации — фундамент квантового интернета,— напоминает Юнусов.— И в России уже есть положительные результаты. Установки для квантовой передачи данных QRate успешно прошли испытания в реальных условиях, с их помощью уже были реализованы сеансы видеосвязи между двумя и даже тремя точками».

Вторая такая компания — «Дефан», поставляющая высокочувствительные универсальные фотодетекторы. Эти устройства демонстрируются на крупнейших технологических выставках от Мюнхена до Лас-Вегаса и находят самое широкое применение — от лазерных сканеров и масс-спектрографов до лидаров и систем космической связи.

«Квантовые исследования уже становятся коммерческими проектами с понятной бизнес-логикой,— говорит Зауэрс.— Например, РКЦ в партнерстве с Nissan проводит исследование новых химических соединений, которые в перспективе могут стать ключом к созданию аккумуляторов нового типа для электромобилей. Такие проекты могут интересовать нас как инвесторов в технологичные компании и производства».

Приключения квантов в России

В России комплексным развитием квантовых технологий озабочены на самом высоком уровне — соответствующая «дорожная карта», представленная весной 2019 года «Росатомом», входит в состав национальной программы «Цифровая экономика». Карта рассчитана на срок до 2024 года и включает три направления: вычисления, коммуникации и сенсоры.

Реализацию этих направлений, подписав соответствующие соглашения о намерениях с правительством РФ, разделили между собой крупнейшие компании с государственным участием. Квантовыми вычислениями, то есть разработкой отечественного квантового компьютера, занялись в «Росатоме», квантовыми коммуникациями — в РЖД, а сенсоры взял на себя «Ростех».

Общий бюджет всех трех направлений на весь срок составляет более 43 млрд руб. Впрочем, по мировым меркам это не так уж и много. «Текущие вложения в квантовые технологии в целом в мире, по некоторым оценкам, превышают $10 млрд,— отмечает Дмитрий Зауэрс.— При этом, как и со всеми революционными технологиями, монетизация будет запаздывать на три-пять лет, а общий объем рынка квантовых технологий может достигнуть $18 млрд уже к 2024 году».

В настоящий момент РЖД и «Ростех» заняты подготовкой «дорожных карт» по своим направлениям, а «Росатом» такой документ представил уже к концу 2019-го. На сегодняшний день «дорожная карта» квантовых вычислений прошла все согласования с профильными министерствами и направлена на подписание в правительство РФ.

Создание квантового компьютера обойдется в 23,7 млрд руб. Более половины этих средств (13,3 млрд) будут внебюджетными, инвестиции ожидаются со стороны десятков ведущих российских компаний, заинтересованных в скорейшем внедрении у себя квантовых новшеств. Среди тех, с кем «Росатом» уже ведет переговоры,— Сбербанк и «Сбербанк-Технологии», Газпромбанк, «Газпромнефть», СИБУР и многие другие.

Разработкой квантового компьютера в «Росатоме» занимаются ученые ВНИИА им. Н. Л. Духова, МГУ им. М. В. Ломоносова, МФТИ, НИТУ МИСиС, НОЦ ФМН МГТУ им. Н.Э. Баумана, ФИАН, ряда академических институтов, а также РКЦ. Проект возглавляет генеральный директор РКЦ Руслан Юнусов. Он же руководил разработкой «дорожной карты» развития всех трех квантовых направлений, которую РКЦ осуществил совместно с НИТУ МИСиС, выиграв тендер «Росатома».

Существует целый ряд способов создания кубитов для квантовых компьютеров, и никто в мире не знает, какой из них окажется более эффективным. По этой причине работы в России ведутся сразу по четырем технологическим платформам, среди которых сверхпроводящие цепочки, ионы, нейтральные атомы и фотоны.

В конце прошлого года Дмитрий Зауэрс, выступая на форуме «Открытые инновации», высказал мнение, что российские квантовые технологии в части «железа» отстают от западных стран на пять-десять лет. Однако у России, по его оценкам, есть «все шансы наверстать отставание и даже перегнать конкурентов».

«Движение к квантовому компьютеру мы начинаем не с нуля: по всем основным четырем платформам в России существует определенный задел,— говорит Юнусов.— Есть прототипы одной-двух кубитных систем. В плане нашей "дорожной карты" — выйти на квантовое превосходство к 2024 году. Показать его мы хотим на реальной физической задаче — это будет шаг вперед по сравнению с тем, что есть сейчас в мире. Конечно, мы понимаем, что за следующие пять лет мир не будет стоять на месте, но наша задача — сильно сократить отставание в целом. В отдельных областях мы сможем выйти и на уровень мировых лидеров».