Какие вызовы стоят перед отечественной квантовой индустрией
Бездействие в конкуренции создаcт угрозу национальной безопасности страны
Как построить онлайн-модель погоды всей планеты или оптимизировать путь десятков тысяч курьеров по всей стране? Обычный компьютер сможет решить такие задачи через десятки лет. А квантовому вычислителю потребуются минуты. 40 лет назад нобелевский лауреат Ричард Фейнман заметил, что точное моделирование реального мира возможно лишь квантовым компьютером. Похоже, сегодня его провидческое замечание начинает обретать конкретные очертания.
В то время как в традиционном компьютере бит имеет два отдельных состояния (0 или 1), в квантовом есть кубит, в котором 0 и 1 могут находиться одновременно в состоянии так называемой суперпозиции. Именно кубиты дают квантовым компьютерам два удивительных свойства. Во-первых, невероятную параллелизацию вычислений, недоступную для всех видов традиционных компьютеров. Это свойство рождает целый класс новых алгоритмов, их еще называют «квантово-вдохновленными». Во-вторых, вычислительную мощность, которая экспоненциально зависит от количества кубитов. В качестве компонентов таких компьютеров используются отдельные частицы – ионы, нейтральные атомы, фотонные чипы или сверхпроводники. Сейчас популярнее всего прототипы квантовых компьютеров на сверхпроводниках, но, возможно, более перспективным строительным материалом новых квантовых технологий будет именно старый добрый кремний.
В последние пару лет технология квантовых вычислений постепенно выходит из лабораторий в реальный мир. Предпринимаются и первые попытки ее монетизации: на наших глазах рождаются новые квантовые стартапы и даже единороги, многие из которых являются выходцами из бигтехов (например, AtomComputing). Формируется экосистема квантовых разработчиков софта. Стремительно растут инвестиции в отрасль: 2019 г. – $187 млн, 2020-й – $683 млн, 2021-й – $1 млрд. Хорошую динамику показывает мировой рынок квантовых вычислений: $393 млн – в 2020 г., $486 млн – в 2021-м, $700 млн (прогноз) – в 2022-м, более 1 млрд ожидается в 2023 г. Одним из факторов, влияющих на развитие квантовых вычислений, является их доступность: благодаря облачным технологиям доступ к квантовому компьютеру можно получить практически из любой точки мира, включая Россию.
Чем вызван растущий интерес со стороны как частных инвесторов, так и государства? Дело в том, что квантовые вычисления позволяют решать как теоретические, так и практические задачи, недоступные традиционным компьютерам. Это создание новых материалов и лекарств, решение сложнейших проблем химии, биологии, физики и других наук. Вероятно, квантовые вычисления помогут нам с расчетами в финансах и логистике, создадут практически неуязвимый для взлома «квантовый интернет» и откроют новые способы моделирования климата, предотвращая глобальное потепление.
Финансовая отрасль стала одним из пионеров квантовых технологий в силу колоссальных объемов накапливаемых данных. Крупнейший испанский банк Caixa в марте этого года заявил об использовании облачного доступа к квантовому гибридному вычислителю канадской компании D-Wave для оптимизации инвестиционного портфеля в своей страховой компании. В Caixa решали задачу, которая уже ранее была решена традиционными вычислительными средствами. Только вот кванты помогли радикально увеличить скорость ее решения: длительность расчета сократилась с нескольких часов до нескольких минут – эффект налицо. Но пока это скорее эксперимент. Над квантовыми технологиями Caixa работает с 2019 г., сформировав специализированную группу по этому направлению.
Говорить о промышленной зрелости технологии преждевременно. Сейчас квантовый компьютер больше всего похож на научную лабораторию – его даже включить нельзя без полудюжины кандидатов физико-математических наук. Поэтому зрелость квантов уместно сравнить с первыми полетами братьев Райт в 1903 г. На тот момент скептики, видя в авиации лишь игрушку, пожимали плечами: «Ну вот когда вы перелетите через Ла-Манш, тогда и поговорим». Перелет состоялся в 1909 г.
Какое состояние квантовой индустрии сейчас в России? У нас построены действующие прототипы квантовых компьютеров, хотя их мощность меньше, чем у мировых лидеров. Согласно дорожной карте «Квантовые вычисления», 100-кубитный квантовый компьютер в стране появится не раньше 2027 г., а к 2024 г. мы достигнем мощности в 50 кубит. До 2024 г. дорожная карта предусматривает выделение на эти цели 23,6 млрд руб. Сумма выглядит внушительно, но подобные программы приняты в большинстве развитых стран: совокупный объем госфинансирования индустрии составляет $20 млрд на горизонте пяти лет. При этом почти половина этой суммы приходится на Китай.
Новая цель исследователей и в России, и в мире – расширить набор задач, в которых можно достичь полезного квантового превосходства – явления, при котором квантовый компьютер за секунды, минуты, часы или дни решает не абстрактную, а практическую задачу. Думаю, что уже на горизонте 10 лет мы увидим такие практически полезные применения квантовых вычислений.
Какие еще вызовы стоят перед отечественной квантовой индустрией? Зависимость от импортных комплектующих, технологическое отставание по аппаратному и программному обеспечению, фрагментированность отрасли и недостаток кадров. Хорошая новость заключается в том, что уже сейчас можно тестировать гипотезы и квантовое ПО на эмуляторах – программах, которые имитируют работу квантового вычислителя на традиционном компьютере.
Есть еще один весомый аргумент в пользу ускорения развития квантовых вычислений в России. По экспертным оценкам, уже на горизонте 5–7 лет в мире может появиться квантовый компьютер на 4000 кубит. Его небывалая мощность позволит взломать повсеместно распространенный алгоритм RSA, который используется для шифрования и цифровой подписи. Видимо, к мнению экспертов прислушались и политики. Вывод очевиден – бездействие в квантовой конкуренции чревато не только технологическим отставанием, но и квантовым взломом, что создаст угрозу для национальной безопасности страны.