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

Тренеры по красивой жизни Тренеры по красивой жизни

Как не прогадать с покупкой у инфоцыган курсов-пустышек

РБК
Тур де Кавказ Тур де Кавказ

На Geely Atlas Pro до Эльбруса и назад

Автопилот
Вместе с семьёй Вместе с семьёй

Этот дом можно назвать воплощением мечты любого горожанина

Идеи Вашего Дома
Спасти мир от самого себя Спасти мир от самого себя

Непростая история одного из создателей атомной бомбы

Наука
Кто трясет Землю? Кто трясет Землю?

Первые гипотезы об устройстве земной коры зародились еще в античности

Вокруг света
Революция в астрономии XX века Революция в астрономии XX века

Виктор Амбарцумян — основоположник теории астрофизики в СССР

Знание – сила
Сделай сам Сделай сам

Игрушечные машинки своими руками

Автопилот
С видом на город С видом на город

Интерьер, оформленный в современной эстетике

Идеи Вашего Дома
Лунные костюмы Лунные костюмы

Зачем потребовалось перекрашивать скафандр и что нового предложили конструкторы?

ТехИнсайдер
«Влюбить в морские науки»: как работает «Плавучий университет» «Влюбить в морские науки»: как работает «Плавучий университет»

Как работает «Плавучий университет», что он дает участникам?

Наука
Отказаться от сигарет по науке Отказаться от сигарет по науке

Почему люди продолжают курить сигареты?

Наука
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
Больше света Больше света

Как управлять люминесценцией?

Наука
Жить как в отеле «пять звёзд» Жить как в отеле «пять звёзд»

Воздушный и роскошный интерьер в квартире

Идеи Вашего Дома
«Солнечные космические лучи — моя любовь…» «Солнечные космические лучи — моя любовь…»

Галина Базилевская об исследованиях физики Солнца и космических лучей

Наука и жизнь
Свеклосахарный оптимизм Свеклосахарный оптимизм

Производство сахара и доходность в сезоне 2023/24 могут быть на высоких уровнях

Агроинвестор
Тень Карафуто Тень Карафуто

Южная половина острова Сахалин исторически была тесно связана с японцами

Вокруг света
С грядки на стол С грядки на стол

Каждый шеф находит свое решение в вопросе поставки свежих продуктов

Bones
Красная львица Красная львица

Убранству 80-метровой Leona позавидуют иные дворцы шейхов

Y Magazine
Инвестпроекты снимают с паузы Инвестпроекты снимают с паузы

АПК остается привлекательным для вложений, несмотря на трудности

Агроинвестор
Сюрпризы «огненной» льнянки Сюрпризы «огненной» льнянки

Когда льнянка зацветет — не заметить её невозможно!

Наука и жизнь
Главные правила кухни Главные правила кухни

В любом проекте на кухню сначала набираются ключевые игроки

Bones
Принцесса моря Принцесса моря

Princess S80: новая моторная яхта со спортивным флайбриджем

Y Magazine
Зачем кузнечику сабля? Зачем кузнечику сабля?

Как спрятать кладку, когда даже закопать её не можешь?

Наука и жизнь
Почти как там Почти как там

Каких продуктов не хватает российским шеф-поварам, а без чего прожить можно?

Bones
Главное — баланс Главное — баланс

Составление винной карты — творческий процесс

Bones
Из грязи в… грязи Из грязи в… грязи

Подборка мототехники для активного отдыха

Y Magazine
Солнечная энергетика: смещение к югу Солнечная энергетика: смещение к югу

Какое место занимает сейчас солнечная энергетика в структуре мировой энергетики?

Наука и жизнь
Дом для кругосветного плавания Дом для кругосветного плавания

Hallberg-Rassy 69 обеспечит вам длительное плавание с домашним комфортом

Y Magazine
Это не ветка Это не ветка

Лев на картине Сано ди Пьетро несчастен не потому, что ему предложили ветку

Вокруг света
Открыть в приложении