С этого года в России действует государственная программа «Цифровая экономика», она разветвляется на множество направлений — от инноваций в ЖКХ до защиты от внешних информационных угроз. За пять лет нужно сократить наше отставание от стран, лидирующих в цифровых технологиях. Одна из составляющих программы так и называется — «Цифровые технологии», за эту часть отвечает «Росатом».
Госкорпорация провела конкурсы дорожных карт и определила, кто будет развивать те или иные технологии. Например, искусственным интеллектом займется Сбербанк, большими данными — Национальный центр информатизации, виртуальной реальностью — Дальневосточный федеральный университет, квантовыми сенсорами — «Ростех», квантовыми коммуникациями — РЖД. Квантовые вычисления «Росатом» взял на себя.
«Конечно, квантовые технологии в России развивались и развиваются и без дорожной карты, — говорит Руслан Юнусов, руководитель Российского квантового центра, участвовавшего в создании дорожной карты. — Фактически ее роль — выбрать приоритеты, задать направление и определить финансирование. Мы в квантовых технологиях точно отстаем от мира и по инвестициям, и по результатам. Цель — по некоторым направлениям, например по квантовым коммуникациям, выйти на передовые позиции, потому что у нас хороший задел. А в направлении квантового компьютера — сократить отставание от лидеров. В ближайшие пять лет мы, скорее всего, с ними не поравняемся, но приблизиться сможем».
До 2024 года в отечественные квантовые технологии предлагается вложить около 50 млрд рублей. Для сравнения: США выделили на развитие квантовых технологий 20 млрд долларов. Бюджет европейского проекта Quantum Flagship — 3 млрд евро. В Китае к 2020 году построят Национальную квантовую лабораторию, на нее выделено 12 млрд долларов. Вкладывает деньги не только государство, но и бизнес — 147 млн долларов за 2015–2018 годы, по данным центра стратегических разработок «Северо-Запад». Так, Volkswagen подписал соглашение с Google — компании будут использовать квантовые компьютеры и искусственный интеллект для создания более эффективных аккумуляторных батарей электромобилей. Почему весь мир помешался на квантах и стоят ли они таких вложений?
Развитие квантовых вычислительных технологий в России началось в 2013 году, тогда был измерен первый кубит (кольцо из сверхпроводника с одним или несколькими джозефсоновскими переходами), созданный, однако, не у нас, а в Германии. Отечественный кубит был изготовлен в 2015 году в МФТИ. Затем, в июле 2016 года, стартовал проект Фонда перспективных исследований по технологии изготовления таких кубитов, обработке информации и управлению ими. За работу взялась кооперация из нескольких научных учреждений: ВНИИА им. Духова, МГТУ им. Баумана, МФТИ, МИСиСа, Новосибирского ГТУ, ИФТТ РАН и Российского квантового центра.
«Мы не просто выполнили все задачи, мы их перевыполнили. Планировалось, что время жизни нашего кубита будет несколько микросекунд, но сейчас он у нас уже десятки микросекунд живет», — отмечает научный руководитель ВНИИА Александр Андрияш.
Вся технологическая цепочка — моделирование, создание структур, их исследование — будет сосредоточена на двух площадках: в теоретической лаборатории физики микрои наноструктур и в совместном с МГТУ им. Баумана технологическом центре наноструктур. Скоро появится лаборатория сверхпроводящих квантовых технологий. Там займутся не только исследованием сверхпроводящих квантовых систем, но и новым направлением — нейроморфными системами, имитирующими работу человеческого мозга.
Основное отличие квантового компьютера от обычного — в представлении информации. В компьютерах на транзисторах и кремниевых чипах используется бинарный код. Единица информации — бит. Он имеет два базовых состояния, ноль и единицу, и может находиться только в одном из них. У квантового компьютера — квантовые биты, кубиты. У кубита те же два основных состояния, но он может принимать значения, полученные путем комбинирования ноля и единицы, и находиться во всех этих состояниях одновременно. Это явление называется суперпозицией.
Обратимся к знаменитому мысленному эксперименту Шредингера, иллюстрирующему природу квантовой физики. Кота помещают в ящик с радиоактивным атомом, счетчиком Гейгера и колбой с ядовитым газом. Радиоактивный атом может распасться в любой момент, а может не распасться. Если он распадется, счетчик засечет радиацию, нехитрый механизм разобьет колбу с газом, и кот погибнет. Если нет — кот останется жив. Закрываем ящик. С этого момента с точки зрения квантовой механики атом находится в состоянии неопределенности — он распался с вероятностью 50 % и не распался с вероятностью 50 %. До того как мы откроем ящик и заглянем туда, он будет находиться в обоих состояниях сразу. А поскольку судьба кота напрямую зависит от состояния атома, выходит, что кот жив и мертв одновременно. Так же как бедолага кот, кубит может находиться одновременно в двух состояниях — быть и нолем, и единицей. По сути, квантовый компьютер — это много котов Шредингера в железе.
«Квантовые технологии будут решать задачи, которые сейчас решить невозможно. Вероятно, актуальность этих задач пока не понятна широкой общественности. Но вспомните, 70 лет назад люди вполне обходились без компьютеров — теперь представить жизнь без компьютера сложно. Точно так же по мере развития квантовых технологий, когда они начнут решать все больше полезных задач и для экономики, и для нашей жизни, сам вопрос, надо их развивать или не надо, отпадет», — говорит Руслан Юнусов.
Возьмем компьютерное моделирование. В 2014 году расчеты показали, что если молекулу сероводорода охладить до 80 К (–193,15 °C) и поместить под давление, она становится сверхпроводником. Газ не просто превращается в металл, в нем пропадает электрическое сопротивление. В 2015 году сверхпроводимость сероводорода была обнаружена экспериментально, но при более высокой температуре — 202 К (–71,15 °C). Компьютер справился не на 100 %, хотя молекула очень простая: атом серы и два атома водорода. На расчет свойств более сложных структур ушли бы годы. У квантового компьютера многократно увеличена скорость и точность. Ученые перенесут опыты в модели, оставив минимум экспериментальной работы. Это грандиозное сокращение расхода ресурсов — денег, времени и сил.
«Есть надежда, что квантовый компьютер поможет найти материалы, которые дадут сверхпроводимость при комнатной температуре, — добавляет Юнусов. — Это законами физики не запрещено, но поиски пока ничего не дают. Если при комнатной температуре у нас будет сверхпроводимость, мы будем передавать энергию без потерь — десятки миллионов долларов экономии».
Квантовые вычисления — это и миллионная экономия, и миллионный риск. Большая часть криптографических алгоритмов, которыми мы пользуемся, к примеру, совершая транзакции в интернете, основана на односторонних функциях — когда в одну сторону уравнение вычислить легко, а в другую сложно. Например, факторизация — разложение числа на простые множители: 525 = 5×5×3×7. Перемножить числа справа не проблема даже для ребенка. А вот разложить 525 уже тяжело. Шифрование основано на том, что не существует компьютеров, способных разложить большие числа. Ситуация кардинально изменится, если к дешифровке подключится квантовая система. Факторизация числа из 1024 бит (309 десятичных знаков) у обычного компьютера займет время, равное продолжительности жизни Вселенной, почти 14 млрд лет. Эксперты утверждают, что квантовый компьютер справится за 10 часов.
Решение кроется там же, где и причина проблемы: на смену математической криптографии приходит квантовая. Ключ к шифру генерируется и передается с помощью фотонов, приведенных в определенное квантовое состояние. Перехватить передачу, оставшись незамеченным, невозможно: попытка «подсмотреть» внесет в данные ошибки, которые очень легко заметить и измерить. Если ошибок много — информацию могли пытаться узнать посторонние. Тогда ключ просто выбрасывают и подбирают новый. Для безопасного контакта должно быть два устройства: лазер, источник фотонов, с одной стороны, и детектор, считыватель фотонов, — с другой. Они соединены оптоволоконным кабелем.
Возможно, как сказал Руслан Юнусов, широкая общественность и далека от поиска высокотемпературных сверхпроводников и проблем криптографии, но спутниковые системы навигации интересуют миллионы автолюбителей. GPS-модули в мобильных телефонах определяют положение с точностью 10–15 м (бывает меньше, бывает больше). На эстакаде или нижней дороге транспортной развязки навигатор путается и не понимает, где находится. Водитель худо-бедно разберется, но в беспилотном транспорте от четкой навигации зависит безопасность всех участников движения. Квантовые технологии позволят создать систему навигации, точность которой — несколько сантиметров.
Однако, несмотря на огромные возможности, которые открывает перед нами квантовый компьютер, он вряд ли полностью заменит обычный. Эксперты прогнозируют технологический симбиоз: классический компьютер выполняет основную работу и обращается за помощью к квантовому для сложных вычислений.
Поиграть с квантовым компьютером можно уже сейчас: компания IBM открыла облачный доступ к своим 5- и 14-кубитным компьютерам. Нужно зарегистрироваться на сайте quantum-computing.ibm.com, и после подтверждения доступа вы попадете на квантовую вычислительную платформу. Взламывать шифры транзакций на ней не выйдет, а вот исследовать простую химическую молекулу — запросто.
