Когда ожидать квантового превосходства и какие изменения оно повлечет в будущем

РБКFan

Алексей Федоров: «И дея квантовых технологий уже необратимо изменила мир»

В наши дни в разных странах активно развиваются десятки проектов, связанных с квантовыми вычислениями. Когда же ожидать полезного квантового превосходства и какие изменения оно повлечет в будущем? Об этом рассказывает физик Алексей Федоров

Алексей Федоров, научный руководитель группы «Квантовые информационные технологии» Российского квантового центра, создатель первого в мире квантового блокчейна для хранения и проверки финансовых данных

За последние десятилетия мир стремительно преобразился благодаря цифровым технологиям. Сегодня практически все аспекты жизнедеятельности общества неразрывно связаны с обработкой, передачей, хранением и защитой информации. Цифровизация проникает и в такие сферы, как, например, медицина и формирование облика «умного» индустриального производства.

Однако параллельно с развитием информационных технологий происходит еще одна революция, очевидная ученым и аналитикам, но еще далекая от своего пика, — квантовая революция.

Ограничения многих традиционных способов работы с данными можно будет преодолеть при помощи высокопроизводительных квантовых компьютеров, а надежно защитить данные помогут квантовое распределение криптографических ключей и постквантовые алгоритмы. Квантовые компьютеры сейчас динамично развиваются, их построением занимаются такие гиганты, как Google, IBM, Microsoft и Intel. Россия вошла в число стран, которые приняли долгосрочные программы развития — квантовые «дорожные карты».

Сегодня мы находимся на интересном рубеже: квантовые технологии начинают быть все ближе к практическому применению, однако на данный момент их использование не дает экономической выгоды. Увидим ли мы полезное превосходство от квантовых компьютеров в ближайшие несколько лет? По всей видимости, да. По крайней мере мы ближе к этому с каждым месяцем.

Квантовые компьютеры: от идеи до технологического превосходства

Квантовые компьютеры представляют собой класс вычислительных устройств, которые используют для обработки информации явления, характерные для отдельных квантовых систем, таких как атомы, ионы, фотоны и др. Ключевыми для квантовых вычислений являются суперпозиция — возможность квантовых систем быть «одновременно» в нескольких состояниях — и квантовая запутанность, проявляющаяся во взаимосвязи между квантовыми объектами.

Элементарными информационными единицами при работе квантового компьютера являются кубиты — квантовые «аналоги» классических битов информации. Как раз благодаря явлению квантовой суперпозиции кубиты могут быть и логическим нулем, и логической единицей одновременно (в отличие от классических битов, которые могут быть лишь в одном из этих состояний).

Идеи квантовых компьютеров появились в начале 1980-х годов в работах советского математика Юрия Манина, британского математика и физика Дэвида Дойча, а также американского физика Ричарда Фейнмана. Уже в середине 1990-х появились первые квантовые алгоритмы для работы на будущих квантовых компьютерах, которые заинтересовали бизнес. Например, оказалось, что с помощью квантовых компьютеров можно будет взламывать современные криптографические алгоритмы.

В определенных классах математических задач квантовые компьютеры могут продемонстрировать существенное превосходство над классическими технологиями. Примерами задач являются криптоаналитика, моделирование сложных систем, обработка больших данных (big data) и др. Существующие на данный момент квантовые компьютеры обладают десятками и сотнями «шумных» кубитов, что не дает возможность полностью раскрыть потенциал их использования. Однако такие компьютеры уже способны на определенных тестовых математических задачах обгонять суперкомпьютеры. Например, на решение тестовой задачи квантовому компьютеру хватает несколько часов и минут, тогда как на классическом оно заняло бы больше 45 лет. При этом уже сейчас есть возможность решать прикладные задачи небольшого масштаба, например из области химии и машинного обучения.

Ключевую роль для полезного квантового превосходства играет решение двух принципиальных задач. Во-первых, создание квантового процессора с большим количеством кубитов и низким уровнем ошибок. В одном сценарии это станет возможным благодаря прогрессу уже существующих систем, а в другом потребует поиска или разработки новых физических платформ для квантовых вычислений. Во-вторых, необходимо значительно расширить класс квантовых алгоритмов для решения прикладных задач. Прогресс движется по каждому из направлений, поэтому на масштабе четырех-пяти лет можно ожидать первые примеры применения квантовых компьютеров для полезных задач.

В качестве одного из потенциальных направлений для квантового превосходства можно рассматривать машинное обучение. Над применениями квантовых компьютеров для задач искусственного интеллекта работают ведущие научные группы по всему миру. Например, ученые из Российского квантового центра вместе с сингапурской компанией «Геро» разработали квантовый алгоритм машинного обучения для поиска новых типов лекарств, что позволило найти более 2 тыс. новых молекул с лекарственными свойствами.

Квантовая защита vs. квантовое нападение

Угроза современной криптографии возникает из-за возможности реализовать на квантовом компьютере эффективные алгоритмы для факторизации, что несет угрозу для криптографии с открытым ключом, а также ускорения поиска по неупорядоченным базам данных. Масштаб проблемы существенный: более 90% данных, передаваемых в интернете, станут открытыми при появлении квантового компьютера. Криптографические стандарты, например для электронных подписей, необходимо будет пересматривать.

Эпоха квантовых компьютеров предполагает два подхода к защите информации. Во-первых, это квантовое распределение ключей. Оно основано на кодировании информации в одиночные квантовые состояния. Во-вторых, решением является постквантовая криптография — набор криптографических алгоритмов, криптоанализ которых имеет сравнимый уровень сложности для классических и квантовых компьютеров.

Технология квантового распределения ключей уже готова к промышленному использованию, необходимы ускорение темпов адаптации технологий крупными компаниями и строительство городских сетей. Постквантовая криптография также уже готова для внедрения решений по защите широкого спектра приложений (мобильные, веб-приложения, цифровые подписи и т.д.). Прогресс в области квантовых компьютеров является очевидным драйвером для внедрения новых технологий защиты информации. Например, в США уже сейчас принят Акт квантовой кибербезопасности, регламентирующий переход на решения, устойчивые по отношению к атакам с квантовых компьютеров. В России ведется работа по стандартизации квантово-устойчивых алгоритмов. Их масштабное внедрение — это также вопрос ближайших трех-пяти лет.

«Дорожные карты» в квантовое будущее

В России основным драйвером развития квантовых технологий являются «дорожные карты», которые сейчас активно реализуются по направлениям квантовых вычислений и коммуникаций под кураторством «Росатома» и РЖД.

Результатом проектов в рамках «дорожной карты» по квантовым вычислениям в России уже стали два квантовых компьютера с 16 кубитами: один из них построен на ионной платформе, а другой — с использованием атомов. Также разработаны процессоры на сверхпроводниках и фотонах.

Проект по ионному квантовому компьютеру обладает важной особенностью. Благодаря поддержке в рамках проекта ЛИЦ и «дорожной карты» удалось реализовать кудитный квантовый процессор — новый способ построения масштабируемых квантовых компьютеров.

Следующие шаги — увеличение количества кубитов или кудитов, а также точности квантовых операций и демонстрация квантовых алгоритмов. При этом многие российские компании уже проявляют интерес к внедрению квантовых технологий.

Промышленные решения для квантового распределения ключей уже используются для построения магистральных и корпоративных квантовых сетей.

В заключение нужно сказать, что сама идея появления квантовых технологий уже необратимо изменила мир. Масштаб изменений трудно прогнозировать на сегодняшнем, уже значимом, но все еще достаточно раннем уровне развития. Вспоминая ранний этап развития полупроводниковой эры вычислений, можно задаться вопросом: хватит ли миру пяти квантовых компьютеров? Очевидно, что нет, так как уже сейчас их количество исчисляется десятками. Полезное же квантовое превосходство будет стимулировать их переход к индустриальному производству — для этого будет достаточно и одного реального кейса применения квантовых компьютеров с экономическим эффектом.

Фото: Lukas Schulze / Getty Images

O'qishni davom ettirish uchun tizimga kiring. Bu tez va bepul.

Roʻyxatdan oʻtish orqali men foydalanish shartlari 

Tavsiya etilgan maqolalar

Почему в России востребована частная медицина Почему в России востребована частная медицина

О причинах роста популярности платных клиник в России

РБК
Больше света Больше света

Как управлять люминесценцией?

Наука
Огненная саламандра Огненная саламандра

Мифический «дух огня» с точки зрения биологии

Вокруг света
Почему у коршуна острое зрение Почему у коршуна острое зрение

Какие же особенности глаза позволяют птицам так хорошо видеть?

Наука и жизнь
Близкий Дальний Восток, новая Анапа и поезд вместо ракет Близкий Дальний Восток, новая Анапа и поезд вместо ракет

Как мы будем путешествовать по России через 30 лет

РБК
За водой на лунный южный полюс («Луна-25» и другие) За водой на лунный южный полюс («Луна-25» и другие)

Задачи, которые стояли перед «Луной-25», никуда не делись. Их придётся решать

Наука и жизнь
Куда пропала правобережная мурома Куда пропала правобережная мурома

Находки с правого берега Оки позволили по-новому взглянуть на мурому

Наука
Привлечь и удержать Привлечь и удержать

Кадровая проблема в АПК остается системной

Агроинвестор
Анна Меркулова: «Развитие метростроительства связано с цифровизацией» Анна Меркулова: «Развитие метростроительства связано с цифровизацией»

Как развивается транспортная инфраструктура в регионах

РБК
Атмосфера дзен Атмосфера дзен

Актуальный микс современности и классики с природными мотивами

Идеи Вашего Дома
Лариса Малькова: «Искусственный интеллект можно сравнить с энергией атома» Лариса Малькова: «Искусственный интеллект можно сравнить с энергией атома»

Где еще заявит о себе искусственный интеллект и как он повлияет на рынок труда

РБК
Александр Чулок: «Ключевым показателем общества станет уровень счастья человека» Александр Чулок: «Ключевым показателем общества станет уровень счастья человека»

Что ждет человечество в 2050 году и какие тренды уже сейчас влияют на общество?

РБК
Альберт Эйнштейн: счастливые годы в Берне Альберт Эйнштейн: счастливые годы в Берне

В 1908 году Эйнштейн получил короткое письмо от профессора Альфреда Кляйнера...

Наука и жизнь
Алкуин и Каролингское возрождение Алкуин и Каролингское возрождение

Как спасти из мрачной бездны неведения культуру Западной Римской империи?

Знание – сила
Андрей Лихачев: «Технологии просочатся за пределы мегапроектов» Андрей Лихачев: «Технологии просочатся за пределы мегапроектов»

Как сделать города по-настоящему «умными» и зелеными?

РБК
Сдвинувший материки Сдвинувший материки

Альфред Вегенер – человек, понявший, что континенты движутся

Вокруг света
Практичный контемпорари Практичный контемпорари

Стильное пространство с интересными деталями

Идеи Вашего Дома
Новый Вавилон Новый Вавилон

В любой непонятной ситуации нужно строить что-нибудь колоссальное

ТехИнсайдер
Путь воды Путь воды

Как цифровизация помогает развивать российское ЖКХ

РБК
«Солнечные космические лучи — моя любовь…» «Солнечные космические лучи — моя любовь…»

Галина Базилевская об исследованиях физики Солнца и космических лучей

Наука и жизнь
Перезагрузка Перезагрузка

Sollers: продолжение следует

Автопилот
Академик Маркс Штарк: главное — это творчество и любовь Академик Маркс Штарк: главное — это творчество и любовь

Маркс Штарк — о том, чему можно научиться у зимнеспящих организмов

Наука
Космическая сила Космическая сила

Почему бы не построить солнечную электростанцию прямо в космосе?

ТехИнсайдер
Лесные барабанщики Лесные барабанщики

Лес в середине лета затихает, но только кажется безжизненным

Наука и жизнь
Была бы лодка Была бы лодка

Changan CS35 Plus и путешествия по воде

Автопилот
Дизайнерский бутик Дизайнерский бутик

Владимир Пирожков, наверное, самый известный российский промышленный дизайнер

ТехИнсайдер
От лифта на орбиту до встречи с марсианами От лифта на орбиту до встречи с марсианами

Какие инновации и тренды будут определять развитие космической отрасли

РБК
«День сурка» с наночастицами «День сурка» с наночастицами

Почему ученые не могут разработать лекарство от ВИЧ?

Знание – сила
Война Алой и Белой розы: из истории термина Война Алой и Белой розы: из истории термина

Как сцена из пьесы стала страницей английской истории

Знание – сила
Всю жизнь — в тепле Всю жизнь — в тепле

В горячих источниках жизнь коротка, но открывает новые возможности

Наука
Открыть в приложении