Квантовым технологиям уделяется много внимания в программах технологического прогресса разных стран. Например, людей регулярно пугают новостями, что квантовый компьютер легко одолеет нынешнюю криптографию. Однако развитие этих технологий только началось и не решена масса проблем. Так стоит ли игра свеч?
- Введение
- Как развиваются квантовые технологии в России: стратегия, достижения и планы
- Где используют квантовые вычисления: сценарии и примеры применения в России
- Будущее квантовых технологий в России: прогнозы и цели до 2030 года
- Главные проблемы внедрения квантовых технологий: оборудование, кадры и ПО
- Выводы
Введение
Концепция использования явлений квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для вычислений появилась еще в начале 1980-х годов. Ее разработали независимо друг от друга американский физик Ричард Фейнман и советский математик Юрий Манин. В 1994 Питер Шор представил первый квантовый алгоритм факторизации целых чисел, который теперь носит его имя.
Долгое время возможность создания квантового компьютера считалась чисто теоретической. Однако к 2020 году появились образцы устройств, которые показали, что создание квантовых вычислителей возможно. Хотя и раньше инвестиции в данную сферу росли очень высокими темпами. В 2024 году емкость мирового рынка квантовых вычислений, по данным Kept, превысила 1 млрд долларов против 800 млн долларов в 2023 году.
На рубеже 2024 и 2025 года разработчики добились заметных успехов, решив целый ряд фундаментальных проблем, прежде всего, связанных с повышением точности вычислений. Тут можно вспомнить Google с его квантовым процессором Willow, где радикально снижено количество ошибок, в том числе при масштабировании. В Делфтском техническом университете увеличили точность квантовых вентилей до 99,999%.
Квантовыми компьютерами обладает 18 стран, в том числе и Россия. РФ долгое время заметно отставала в развитии квантовых технологий, но в последние 5 лет сделала довольно большой рывок, в том числе в разработке практических сценариев применения квантовых технологий.
Как развиваются квантовые технологии в России: стратегия, достижения и планы
С 2020 года квантовые технологии стали одними из тех, развитию которых уделяется большое внимание на государственном уровне. Как раз тогда была принята дорожная карта «Квантовые вычисления». Она была и остается одним из элементов программы «Цифровая экономика» и ставшего ее логическим продолжением действующего нацпроекта «Экономика данных».
Как отметила в своем выступлении на конференции «Кванты для бизнеса и государства», которая прошла 14 апреля в павильоне «Атом» на ВДНХ директор по квантовым технологиям госкорпорации «Росатом» Екатерина Солнцева, главной чертой развития квантовых технологий в России является то, что ими занимаются многопрофильные компании:
«В России квантовые технологии развиваются многопрофильными корпорациями, поэтому у нас минимальное расстояние между специалистами с квантовыми компетенциями и компетенциями производственными — есть возможность бесшовно их совместить. В атомной отрасли уже стартовала программа практического внедрения квантовых вычислений».
В результате, по ее оценке, Россия довольно быстро нагоняет отставание от других стран, многие из которых начали исследования в области квантовых технологий на 10 или даже 15 лет раньше. Во многом, как заявила Екатерина Солнцева, это было связано со скептицизмом в отношении квантовых вычислений, который еще в 2019 году был довольно массовым.
Как заявил на этом мероприятии генеральный директор АНО «Цифровая экономика» Сергей Плуготаренко, в ходе реализации программы «Цифровая экономика» по итогам 2024 года были достигнуты заметные результаты. Так, максимальная мощность российского квантового вычислителя достигла 50 кубитов, на что способны лишь 6 стран. Хотя еще в конце лета 2024 года, согласно данным исследования «Рексофт», все российские квантовые вычислители были сугубо экспериментальными, непригодными для работы со значимыми алгоритмами, ведь максимальная мощность отечественного вычислителя не превышала 16 кубитов.
Тем не менее, уже тогда Екатерина Солнцева на форуме «Открытые инновации» заявила, что «Росатом» планирует начать широкомасштабное практическое применение квантовых компьютеров в 2026 году, а к 2030 году начать их серийное производство. На мероприятии 14 апреля она подтвердила, что данные планы остаются в силе.
Другой особенностью России, как отметила Екатерина Солнцева, стало то, что отечественные квантовые установки базируются на всех 4 технологиях: ионной, спиновой, фотонной и сверхпроводниковой. Все эти технологии способны развивать лишь три страны в мире (рис. 1) — США, Россия и Китай. По мнению Екатерины Солнцевой, сосредотачиваться на развитии одной из них в ущерб другим контрпродуктивно, поскольку у каждой из них есть преимущества перед остальными при решении разных классов задач.
Рисунок 1. Ключевые показатели развития квантовых технологий в России по итогам 2024 года
Где используют квантовые вычисления: сценарии и примеры применения в России
В ходе конференции «Кванты для бизнеса и государства» Сергей Плуготаренко представил результаты исследования, которое провело АНО «Цифровая экономика» по результатам анализа 44 проектов практического использования квантовых технологий в различных отраслях (рис. 2). Из них 18 относятся к сфере финансов, 16 — связи и телекоммуникаций, 10 — розничной торговли (включая электронную коммерцию).
Рисунок 2. Основные области применения квантовых технологий в России по данным АНО «Цифровая экономика»
Пока, как отметил Сергей Плуготаренко, в большей степени востребовано использование оптимизационных алгоритмов. Это касается, в частности, решения логистических задач, в том числе классической «задачи коммивояжера» (TSP в английской аббревиатуре) — определения самого короткого маршрута через все указанные точки с возвратом в исходную. Эта задача в принципе нерешаема с помощью традиционных алгоритмов, когда количество таких точек превышает некую величину, однако даже однокубитовый квантовый вычислитель ее успешно решает, хотя и с серьезными ограничениями.
Другими сферами применения Сергей Плуготаренко назвал решение задач машинного обучения, кибербезопасности, выявления фрода и мошенничества, прогнозирования поведения клиентов, а также различных сбоев. В финансовом секторе также востребовано моделирование, прежде всего, это касается работы сложных финансовых инструментов.
Причем в ходе данных 44 проектов достигнут вполне осязаемый экономический эффект (рис. 3). Так, снижение затрат на транспортировку грузов у розничных компаний составило 5%, на ту же величину сократились потери инвестиционных портфелей в финансовом секторе. В этих сферах достигнут довольно высокий уровень готовности технологий к практическому использованию.
Что касается повышения устойчивости шифрования, значимым становится фактор полной компрометации традиционной криптографии в ближайшей перспективе. Об этом заявил президент Академии криптографии и замглавы Минцифры России Александр Шойтов. Он привел оценку, согласно которой уже через 10 лет наиболее распространенные алгоритмы шифрования могут быть вскрыты если не в реальном времени, то за весьма короткий срок. Учитывая, что нормативы на срок хранения многих данных существенно длиннее данного временного промежутка, то нужно озаботиться переходом на адекватные средства шифрования уже сейчас.
Рисунок 3. Практический эффект от использования квантовых технологий
Директор по развитию бизнеса «Росатом Квантовые технологии» Ярослав Борисов назвал целый ряд схожих сценариев применения, которые уже опробовал «Росатом». Они касаются определения оптимальных маршрутов атомных ледоколов или оптимизация работы реакторов, обработки больших данных, машинного обучения, а также использования квантового шифрования и постквантового распределения ключей.
Однако, по его оценке, в полной мере квантовое превосходство станет очевидных на задачах моделирования. Благодаря этому можно будет ускорить разработку новых материалов, а также лекарственных препаратов, в том числе для персонализированной терапии под конкретного пациента. Большие надежды Ярослав Борисов возлагает на возможность использования квантовых вычислений для разработки новых сверхпроводящих материалов, способных сохранять свои свойства при высоких температурах. Или, напротив, доказательства невозможности их создания.
Заместитель председателя правления «Газпромбанка» Дмитрий Зауэрс назвал перспективными сценариями использование квантовых технологий для криптозащиты данных и обеспечения безопасности дистанционного банковского обслуживания. По его словам, банк начал экспериментировать с квантовыми технологиями еще в 2016 году.
В РЖД тоже достигли заметных результатов. Начальник департамента квантовых коммуникаций РЖД Артур Глейм заявил, что протяженность магистральной квантовой сети в России уже составляет 7 тыс. км. По его словам, в настоящее время происходит «переломный момент практического внедрения результатов исследований на операторскую сеть». Причем оператор берет на себя обслуживание дорогого оборудования. Основной целевой аудиторией квантовой сети являются те компании, которые согласно требованиям регуляторов обязаны использовать средства криптозащиты, например, для обеспечения безопасности персональных данных, а также объекты критической информационной инфраструктуры (КИИ).
Директор проектов «Ростелекома» Сергей Ханенков анонсировал переход сервиса ГОСТ VPN на использование постквантовых средств шифрования. Он назвал главным преимуществом таких криптосредств полностью автоматизированную передачу ключей, которая не требует участия человека. В итоге эксплуатация таких систем может целиком лечь на оператора, что избавит конечных пользователей от множества проблем, с которыми сопряжена эксплуатация средств криптозащиты. Плюс ко всему, квантовые и постквантовые средства дают гарантию отсутствия угроз, связанных с перехватом данных, на долгие годы вперед.
По оценке Екатерины Солнцевой, главная задача сейчас — научиться использовать как оборудование, использующее квантовые технологии, так и квантовые алгоритмы. И то, и другое сопряжено с целым рядом нюансов, к которым нужно быть готовыми тогда, когда системы достигнут уровня, пригодного к решению задач самого широкого спектра, выходящих за рамки лабораторного моделирования, как сейчас. А это должно случиться уже в ближайшие годы.
Будущее квантовых технологий в России: прогнозы и цели до 2030 года
Согласно планам, заложенным в нацпроект «Экономика данных», к 2030 году мощность российских квантовых компьютеров должна достигнуть 300 кубитов, протяженность сетей с квантовым шифрованием — 15 тыс. км, а объем инвестиций — 67 млрд рублей (рис. 4). По оценкам Kept, к этому времени доля России в общем объеме рынка квантовых технологий достигнет 5%, а к 2040 году — 6%.
Одним из главных достижений программы «Цифровая экономика», которая завершилась в 2024 году, стало развитие образовательных программ. Специалистов в данной сфере готовит 30 вузов. Их количество будет только расти. Также развиваются вневузовские программы, в том числе профориентационные. Так, 14 апреля в павильоне «Атом» на ВДНХ был открыт «Класс квантовой физики», пилотная версия «Класса квантовых технологий». Этот проект направлен на повышение интереса детей и подростков к данной сфере.
Рисунок 4. Ключевые показатели развития квантовых технологий к 2030 году (нацпроект «Экономика данных»)
По мнению Александра Шойтова, для достижения заданных показателей есть все условия. Особенно важным он назвал то, что сложились кооперационные связи между государством, бизнесом и наукой. Он выразил надежду, что широкое внедрение квантовых вычислений, где отсутствуют многие врожденные проблемы, характерные для традиционных вычислений, будет способствовать повышению безопасности. Основным вызовом он назвал необходимость развивать все технологии квантовых вычислений.
Генеральный директор Российского квантового центра Максим Острась в качестве задач на ближайшую перспективу назвал 4 направления работы:
- Развитие аппаратных платформ.
- Улучшение качества вычислений.
- Развитие распределенных квантовых вычислений.
- Строительство гибридных суперкомпьютеров, которые объединяли бы традиционные и квантовые установки, возможно, в первое время, с использованием механизмов эмуляции квантовых компьютеров.
Екатерина Солнцева обратила внимание на важность адекватных метрик. По ее мнению, новая система должна сочетать количественные и качественные показатели квантовых вычислителей. Но на это может уйти несколько лет.
Как отметили практически все участники дискуссии, необходимо не ждать появления работающих квантовых вычислителей, а готовиться к применению уже сейчас. В этом могут помочь квантовые кластеры, которые призвал создавать сенатор Артем Шейкин:
«Важный момент заключается в том, что нам надо создавать кластеры квантовой инфраструктуры. Это локальные площадки, где собираются предприятия, работающие в этой отрасли, для практики и обмена опытом. Постоянный обмен информацией между участниками действительно очень важен для развития. Кроме того, должна быть организована финансовая поддержка в плане привлечения внебюджетных средств и возможность тестирования отечественных решений для конкретных предприятий».
Для того, чтобы как можно больше потенциальных желающих попробовать квантовые технологии могли их протестировать, необходимо обеспечить возможность доступа к таким устройствам на основе облачных технологий. Не менее важно также развитие рынка наборов инструментов для разработки ПО (Q-SDK). Все это позволит накопить опыт использования квантовых технологий до начала массового их внедрения. Тем более, что одним из основных препятствий для развития квантовых технологий является трудоемкая адаптация существующего ПО для квантовых вычислителей.
Главные проблемы внедрения квантовых технологий: оборудование, кадры и ПО
Главными сложностями и препятствиями участники форума назвали следующие:
- Дороговизна оборудования.
- Сложность в эксплуатации квантовых вычислителей.
- Трудоемкость адаптации ПО.
- Дефицит кадров.
- Несовершенство регулирования.
Нынешние квантовые вычислители являются очень дорогими уникальными устройствами. В этом они схожи с ламповыми ЭВМ первого поколения. В 1953 году первый президент IBM Томас Ватсон заявил, что емкость мирового рынка составляет не более 5 компьютеров, для размещения которых было необходимо солидных размеров здание, целый штат специалистов для обслуживания, а обеспечение энергопитания и отвода тепла были сложной инженерной задачей.
Квантовые компьютеры также требуют весьма специфичных условий для работы, добиться которых довольно сложная задача, что под силу далеко не всем. К тому же обслуживание таких установок требует привлечения крайне дефицитных специалистов в области криогенной техники. Также для работы квантовых вычислителей требуется выдерживать весьма жесткие условия, малейшие отклонения от которых недопустимы. Для того, чтобы их обеспечивать также нужны кадры, которые непросто найти или вырастить. Что касается оборудования для квантовых сетей, то, как отметил Артур Глейм, сложной задачей является организация его мониторинга.
Руководитель направления развития бизнеса «ИнфоТеКС» Александр Шаманаев назвал основным препятствием для внедрения квантовых и постквантовых средств шифрования несовершенство регулирования. Оно, с одной стороны, не препятствует использованию квантовых и постквантовых криптосредств, но, с другой, не обращает внимания на необходимость замены традиционных средств криптозащиты перед угрозой полной компрометации, которая наступит уже во вполне обозримой перспективе. И это при том, что некоторые классы данных необходимо хранить до 75 лет.
Не менее сложной является задача разработки и адаптации ПО. Как предупредил руководитель Центра квантовых вычислений «Газпром нефти» Нияз Исмагилов, на создание и адаптацию полноценной системы обработки данных сейсморазведки (основной метод поиска и разведки месторождений) требуется не менее пяти лет. В компании эта работа идет с 2022 года, и ее планируется завершить тогда, когда появятся вычислители, пригодные для обработки реальных данных.
Выводы
До создания полноценных квантовых вычислений еще довольно далеко. Однако к их широкому внедрению необходимо быть готовым уже сейчас, тем более что применение квантовых вычислителей серьезно отличается от привычных подходов, хорошо отработанных на классических компьютерах. Все это потребует значительных усилий для подготовки новых кадров и повышения квалификации уже имеющихся.
Причем надо быть готовыми к тому, что потребуется персонал в довольно неожиданных областях, не связанных с ИТ напрямую, например, специалисты в области криогенной техники. С другой стороны, развитие квантовых коммуникаций может привести к резкому падению потребности в специалистах в области криптозащиты.
