Квантовая футурология

Квантовый Интернет — это новая технология передачи информации. «Квантовый компьютер — это новое качество вычислений, а квантовый Интернет — новое качество передачи информации», — отметил глава проектного офиса по квантовым технологиям в Росатоме Руслан Юнусов. В лабораторных условиях квантовую информацию уже передают — пока на недалекие расстояния с невысокой точностью. А в будущем, по мнению Р. Юнусова, программисты будут — через веб-интерфейс, на высокоуровневом языке — создавать программы на квантовых компьютерах, не задумываясь об их физической природе.

Как объяснил руководитель научной группы «Российского квантового центра» Алексей Федоров, квантовый Интернет нужен для долгосрочной поддержки особого состояния квантов, позволяющего проводить вычисления. Нестабильность такого состояния — одна из ключевых проблем: оно разрушается до того, как происходит имеющее ценность вычисление.

Один из интенсивно изучаемых во всем мире способов устранить эту проблему — объединение маленьких прототипов квантовых компьютеров, состоящих из нескольких десятков кубитов, в кластеры с помощью каналов передачи квантовой информации — фотонных интерконнекторов. Теоретически в итоге процессор должен считать лучше и точнее за счет увеличения вычислительной мощности. Один из ведущих трендов в развитии квантовых компьютеров — модульная структура с ионными ловушками (устройствами для контроля ионов).

Объединение реализуется по-разному для разных платформ. Специалисты уже научились контролировать цепочки из 20−30 ионов, но поместить больше ионов в одну ловушку им пока сложно. Поэтому возникла идея объединять вычислительные модули фотонным интерконнектором — тогда вычислительная мощность вырастет без увеличения количества элементов в одном модуле. Нейтральные атомы в невозбужденном состоянии хранят информацию, а в возбужденном — передают ее. В системе из нескольких модулей некоторые из них могли бы хранить промежуточную информацию, необходимую для вычислений, и передавать ее потом в другой модуль.

Необходимо, однако, не только распределять квантовый ключ (метод передачи ключа шифрования для гарантированной защиты информации), но и передавать информацию, защищая ее с помощью квантовых технологий. Еще одно направление исследований — объединение квантовых сенсоров в сети, дабы достичь большей точности за счет распределенного механизма измерения времени, например, стандарта частоты.

Каждая из этих областей нуждается в квантовом Интернете — соединении квантовых устройств квантовыми коммуникационными каналами, поэтому следующий качественный скачок из существующего состояния — это именно квантовый Интернет.

Ликвидация отставания и объединение ответственных
Нынешний этап развития квантовой темы с участием Росатома начался три года назад, когда Росатом защитил дорожную карту по квантовым технологиям. Затем ее разделили на три: квантовые вычисления, квантовые коммуникации и квантовые сенсоры. За каждую из этих дорожных карт отвечает одна из госкорпораций (Росатом, РЖД и Ростех). В Росатоме сегодня развиваются четыре направления, признанных в мире наиболее перспективными: кванты на сверхпроводниках, на холодных атомах, на ионах и на фотонах. РЖД уже запустили первые квантовые сети и пилотные проекты.

Главные задачи всех дорожных карт — сокращение отставания России в развитии квантовых технологий и поиск тех направлений, в которых она могла бы выйти в мировые лидеры, — решены. Как отметила директор по цифровизации Росатома Екатерина Солнцева, еще три года назад отставание России от других стран составляло приблизительно семь-десять лет, и не было направлений, где страна была бы в лидерах. Сейчас таких направлений как минимум два. Первое — квантовые алгоритмы. Как заявила Е. Солнцева, наши ученые впервые в мире разработали квантовый алгоритм для решения практической задачи в атомной отрасли. Второе направление — разработка прототипов квантовых процессоров на базе ионов. Ученые из Физического института Академии наук разработали процессор на кукварте — кудите с четырьмя энергетическими уровнями.

Р. Юнусов отметил, что сегодня усилия по дорожным картам стоит снова объединить. Его поддержала управляющий директор по национальным проектам госкорпорации «Ростех» Анна Шарипова: «Мы намерены на этом этапе двигаться вместе, не растаскивать научные мысли по разным углам, а создавать единый стрим квантовых технологий». Росатом и Ростех обсуждают с Минцифры и Минпромторгом возможности объединения усилий для создания квантовых сенсоров; стороны договариваются об организационной форме сотрудничества. Ростех готов предоставить для работы оптическое, фотоэлектронное и оптоэлектронное оборудование, а также технологии своих предприятий для создания квантовых сенсоров.

Размежевание, по словам А. Шариповой, если и произойдет, то позднее, когда появятся различные продукты и рыночные ниши.

Области применения квантов: телеком и недропользование
Потенциальные сферы применения квантовых технологий разнообразны. Это медицина, спутникостроение, лидары, защищенные сети, криптография, новые материалы и прочее. «Отлично, что есть комбинация научных фундаментальных технологических заделов, которые Росатом активно формирует с научным сообществом, и возможности показать первые результаты их промышленного применения», — отметила А. Шарипова.

«Квантовые коммуникации в части защищенной связи — субтехнология квантовых технологий, находящаяся в наибольшей степени готовности к промышленному рыночному внедрению», — заявил вице-президент по стратегическим инициативам «Ростелекома» Борис Глазков.

У квантовых технологий — даже в самых разработанных сферах — как минимум две проблемы: они более дороги и громоздки, чем традиционные. При этом, как считает Б. Глазков, квантовые алгоритмы — это не революционная, а улучшающая технология. И для того чтобы они стали интересны телеком-­компаниям, необходимо снизить затраты. Способов снижения Б. Глазков видит два. Первый — обычный механизм компенсации затрат на покупку «квантового» оборудования со стороны государства. Второй — совершенствование технологии использования оптоволокна. Для квантового распределения ключа надо выделять (фактически прокладывать) отдельное волокно, чтобы данные передавались по одному оптоволокну, а ключи — по второму. Но для телеком-­компаний это очень дорого. Проблема постепенно решается: Б. Глазков отметил, что уже появились решения, позволяющие использовать для передачи ключей и данных одну и ту же линию. Правда, пока максимальное расстояние передачи не превышает 40 км.

О поиске вариантов использования квантов в нефтегазовой отрасли рассказал руководитель центра цифровых технологий «Газпромнефти» Михаил Корольков. Квантовые вычисления интересуют компанию как средство решения оптимизационных задач в области логистики, а также создания геологических моделей, где учитывается большое число факторов. По словам М. Королькова, компания заинтересовалась «обещанием „квантовых гуру“ радикально ускорить решение этих задач. Около двух лет назад специалисты компании выявили все вычислительно сложные задачи и теперь ведут системную работу по их решению. Суть ее в том, чтобы выявить математическое ядро вычислительной задачи и определить, как квантовые алгоритмы могут ускорить ее решение и на каких устройствах лучше проводить вычисления. Выяснилось, что одни задачи решить невозможно, для других отсутствуют алгоритмы, и только некоторые все же оказались интересными. Одна из таких задач — полноволновая сейсмическая инверсия. Это запись параметров распространения акустических волн в недрах с течением времени — 4D-модель. Для создания таких моделей „Газпромнефть“ создала центр компетенций и сотрудничает с РКЦ, „Сколтехом“ и другими командами». «Движемся, изучаем», — подытожил М. Корольков.

Квантовые скептики
Финансы тоже нуждаются в оптимизации. По словам вице-президента, директора управления исследований и инноваций блока «Технологии» Сбербанка Альберта Ефимова, необходимы оптимизация кредитного портфеля и сокращение ложноположительных срабатываний защиты от фрода (fraud — обман; термин, обозначающий телефонное мошенничество. — Прим. ред.). Обе задачи требуют огромных вычислительных ресурсов, так что квантовые технологии могут помочь их решению.

А. Ефимов провел аналогию с «золотым правилом» («У кого золото, у того и правила»): «„Золото“ в квантовых технологиях находится не у тех, кто производит компьютеры, а у тех, кто имеет данные и задачи, то есть у „Газпром-нефти“, у „Сбера“, у других компаний, имеющих данные и способность эти данные ­как-то формализовать с помощью небольших групп экспертов, работающих в наших компаниях».

Однако акцент финансист сделал на другом. «Мне кажется, пока квантовых технологий нет. Мы в основном только общаемся на эту тему, и есть определенные, очень локальные успехи», — заявил он, подчеркнув, что сейчас продать квантовый компьютер не сможет ни одна лаборатория в мире.

Проблема, с его точки зрения, даже не в отсутствии компьютера, а в том, что, когда он появится, придется переделывать всю информационную экосистему: понадобятся новые языки программирования, операционные системы, переподготовка программистов. А. Ефимов подхватил мысль о том, что перспективными могут быть не столько квантовые компьютеры, сколько новые, более быстрые алгоритмы, работающие на существующих технических принципах (см. «Конкуренция квантов с традиционными системами»). В частности, он отметил бурное развитие квантового e-mail. Однако это может означать потребность не столько в квантовом процессоре, сколько в специалистах, понимающих, как работает квантовый компьютер, чтобы симулировать квантовые процессы на классических компьютерах. «И вполне возможно, что квантовый e-mail будет развиваться на сегодняшнем поколении нашей фон-неймановской архитектуры, которая точно не сдастся в следующие 10 лет», — подытожил финансист.

М. Корольков поддержал А. Ефимова, заявив, что над квантовыми алгоритмами в России работают «две с половиной команды». «Вы делаете „железо“, не зная, какие задачи и с помощью каких алгоритмов на нем будут решаться», — попенял он представителям квантового сообщества.

А. Федоров возразил: спектр задач, которые решает квантовый компьютер, прописан в дорожной карте, утвержденной правительством; это процессы общего назначения, квантово-­химическое моделирование и все, что с ним связано, комбинаторная оптимизация и другие узкоспециализированные задачи. Но самое любопытное, по мнению А. Федорова, — то, что претензия к недостаточной проработке алгоритмов вообще прозвучала — пять лет назад подобная дискуссия не состоялась бы.

Возразил А. Ефимову и директор департамента науки и образования фонда «Сколково» Александр Фертман: данными владеют вовсе не те, кто так полагает. Тезис он подкрепил примером с авиакомпаниями: оказалось, что самые разнообразные данные аккумулируются не у них, а у производителей оборудования (таких как Rolls-­Royce, GE). «Будьте осторожны, объявляя себя королями. Игра должна быть равноправной, иначе проиграют все», — подытожил он.

С этим А. Ефимов не смог не согласиться: «Важно, чтобы мы все объединились и каждый нащупал нишу, в которой он будет работать. Большие молодцы — наши коллеги, прежде всего в Росатоме, сохраняющие кооперацию. Одной компании, при всем уважении, квантовый компьютер не сделать».

Поднять деньги и интересные задачи
А. Фертман перевел дискуссию в инвестиционную плоскость: «Даже если согласиться с тем, что еще нет квантовых технологий, — а мне кажется, ­какие-то технологии уже появляются, — точно есть квантовые исследования в области технологий. Это не просто разговоры, это серьезная большая работа. И если в нее сейчас не инвестировать, то никаких технологий не появится. Поэтому привлекать инвестиции в этот сектор очень важно». Этот тезис А. Ефимов тоже поддержал, несмотря на свой скепсис по отношению к квантам: «Если даже мы не уверены, что квантовый компьютер будет создан, все равно нужно продолжать в это инвестировать, поэтому хорошо, что есть нацпроект».

Участники дискуссии признали, что дело не только в деньгах. После начала спецоперации были опасения, что ученые и айтишники, владеющие английским и имеющие большое количество международных связей, то есть весьма мобильные люди, уедут из страны. Однако массового отъезда не произошло, переехали лишь единицы. Судя по отзывам оставшихся, их удерживает возможность самореализации — в России они могут решать интересные задачи, которые ставят себе сами. По мнению Р. Юнусова, уехавшим за рубеж, напротив, придется вливаться в ­чьи-то группы и развивать чужие проекты. «Несмотря на все тревоги, люди остаются, и наша задача — помогать им», — подытожил Р. Юнусов.

Интересные задачи решают и стартапы. По словам А. Фертмана, есть три их типа. Компании первого типа развивают идею, доводят ее до интересного для инвесторов уровня и продаются. Компании второго типа предпочитают органический рост и хороши в определенных нишах — они «зарабатывают себе на хлеб с маслом, а многие — даже на икру». Компании третьего типа создаются для того, чтобы быстро и недорого проверить ­какую-то гипотезу. Если у корпорации много гипотез, она может создать много стартапов, и это будет гораздо эффективнее, чем если бы корпорация проверяла их все сама, считает А. Фертман. «Внезапно у нас в России все стартапы стали государственными, — намекнул А. Фертману А. Ефимов, — так что заботьтесь о них хорошенько, а то разбегутся».

Таким образом дискуссия вернулась к деньгам и попытке понять, могут ли они прийти к российским стартапам в нынешних условиях ­откуда-то, кроме как от государства. В частности, А. Фертман поднял вопросы: появится ли в России технологическое предпринимательство и заинтересовано ли в его появлении государство? С одной стороны, всё сложно, с другой — это именно те люди, которые, во‑первых, будут зарабатывать сами (а не сидеть на шее у государства) и создавать рабочие места, давая зарабатывать другим, а во‑вторых, способствовать технологическому суверенитету. По меньшей мере, на один вопрос сам же А. Фертман дал ответ: да, государство заинтересовано в появлении технологического предпринимательства. «Меры по поддержке технологического предпринимательства уже принимаются и, я надеюсь, будут усиливаться. Существует даже программа по университетскому технологическому предпринимательству».

В этом же контексте он отметил, что не следует забывать о балансе ПО и «железа». Льготы, которые правительство утвердило для производителей софта, привели к тому, что компаниям стало выгодно сосредоточиться на создании программ, а аппаратная часть оказалась в худшем положении; этот дисбаланс необходимо исправить.

Еще один поворот квантовой темы, который затронул А. Фертман, — интерес к квантовым технологиям у инвесторов. Во всем мире идея создания квантового компьютера оказалась настолько привлекательной, что инвесторы вложились в компании, которые начнут зарабатывать только спустя десятилетия. Такое возможно, только если в экономике есть свободные деньги. А чтобы интерес инвесторов не угас, компании нужно достичь понятных целей в течение сравнительно коротких (два-четыре года) отрезков времени.

С А. Фертманом не согласилась Е. Солнцева и привела в пример Р. Юнусова, который привлекал деньги в кванты десять лет назад, когда квантовые технологии были малопонятны всем, кроме ученых.

В финале сессии советник губернатора Нижегородской области Тимур Халитов представил «Квантовую долину», которая создается в Нижнем Новгороде, и предложил использовать региональную площадку ИНТЦ и научного образовательного центра для совместного развития квантовых технологий.