Квантовая физика на данный момент является одним из важных направлений в науке, и стало это ясно после «первой квантовой революции» начавшаяся во второй половине 20 века, которая привела к появлению лазеров, транзисторов, ядерного оружия и конечно же мобильной связи, и интернета. Однако изобретения «первой квантовой революции» уже применяются повсеместно: в компьютерных технологиях, медицине, мобильных телефонах, систем связи, микроскопов. Этот список можно продолжать и продолжать, и именно это показывает то, насколько сильно мы зависим от квантовых технологий. Но это только начало, с конца 20 века мы стоим на пороге «второй квантовой революции», которое окажет еще большее влияние на наш мир.

Нацелена «вторая квантовая революция» уже будет на управлении сложных квантовых систем на уровне отдельных частиц, например, фотонов. На сегодняшний день уже существует первые результаты этой революции, которые мы все знаем, конечно же квантовые компьютеры. Данные вычислительные машины предоставляют нам огромные возможности для решений задач квантовой механики, что не маловажно. Квантовая коммуникация, технология, позволяющая передавать нам информацию с безопасностью на новом уровне.

И не стоит забывать про квантовые сенсоры, с помощью которых появится возможность брать показания с невероятной точностью, сравнимой с размером одиночного атома, и с минимальной погрешностью. Одним словом, будущее. Наше будущее сейчас зависит от квантовых технологий, и зависит сильно, поэтому я предлагаю рассмотреть такой вопрос: на каком уровне происходит развитие квантовых технологий в РФ.

Квантовые вычисления

Квантовые вычисления – это новый класс вычислительной техники, использующие для решения задач квантовой механики. Эти устройства, на основе квантовых вычислений, могут многократно превосходить классические компьютеры при решении задач криптоанализа, моделирования сложных систем, а также машинного обучения искусственного интеллекта. По мере развития существующих квантовых компьютеров существующих квантовых компьютеров появление первых прикладных результатов можно ожидать в направлении ускорения задач машинного обучения и моделирования новых перспективных материалов.

Согласно классификации, QTRL разработки компаний в мире на данный момент соответствует уровням QTRL 4–5, т.е. в вычислительных системах данных компаний пока не решена задача реализации квантовых кодов коррекции ошибок и, соответственно, на них не могут быть в полном объеме реализованы практически значимые алгоритмы, например, такой как алгоритм Шора. В РФ на сегодняшний день реализованы прототипы квантовых компьютеров с 2 кубитами (по данным ДК ФПИ 2–10 кубитами) и квантовые симуляторы с 10–20 кубитами. Это соответствует уровню QTRL 3–4.

Ключевыми техническими характеристики квантовых вычислительных систем являются количество кубитов, реализованных в квантовом компьютере – размер квантового регистра; степень связности кубитов в регистре; точность инициализации квантового регистра; точность измерения состояний кубитов; время жизни кубитов; набор допустимых логических операций; точность реализации набора логических операций, которые могут быть выполнены над квантовым регистром.

Вычислительные же возможности квантового симулятора определяются классом систем и явлений, которые с его помощью могут быть промоделированы, а также точностью результатов моделирования. Поэтому при оценке их реализации целесообразно сравнивать не количество в них квантовых частиц, а спектр и востребованность задач, решаемых данным типом симулятора.

В России создан значительный научный задел в области квантовых вычислений, также развиваются различные элементные базы для построения квантовых компьютеров и квантовых симуляторов. Наиболее перспективным и лидирующими платформами в мире считаются три: сверхпроводящие цепочки, нейтральные атомы и ионы в ловушках (уровень развития QTRL–4–QTRL–5). Эти направления достаточно сильно развиты в России (QTRL–2–QTRL–4). Имеется задел по квантовым вычислениям с использованием фотонов и интегральной оптики, квазичастиц (поляритоны), а также ведутся поисковые исследования по примесным атомам в кремнии.

Ведутся обширные теоретические исследования в следующих областях: томография квантовых состояний и процессов, подавление ошибок в квантовых компьютерах, вариационные квантовые алгоритмы, алгоритмы квантового машинного обучения, эмуляция 7 квантовых вычислений, оптимизация квантовых операций, исследование ресурса существующих квантовых компьютеров.

Лидирующие организации

• ВНИИА им. Н.Л. Духова; ИАЭ СО РАН; Институт прикладной физики РАН (Нижний Новгород);
• Институт спектроскопии РАН (ИСАН); ИТФ им. Л.Д. Ландау РАН; ИФП А.В. Ржанова СО РАН;
• ИФП им. П.Л. Капицы РАН;
• ИФТТ РАН;
• КНИТУ–КАИ;
• КФТИ;
• КФУ;
• Московский государственный педагогический университет (МПГУ);
• МГТУ им Н.Э. Баумана;
• МФТИ; НИТУ МИСиС;
• Новосибирский государственный технический университет (НГТУ, Новосибирск);
• Российский квантовый центр (РКЦ, ООО «МКЦТ»);
• Сколковский институт науки и технологий (Сколтех);
• Университет ИТМО (ИТМО);
• ФИАН им. П.Н. Лебедева;
• ФТИ им. А.Ф. Иоффе;
• ФТИАН им. К.А. Валиева РАН;
• Центр квантовых технологий МГУ им. М.В. Ломоносова (ЦКТ МГУ им. М.В. Ломоносова).

Квантовые сенсоры и метрология

Для начала рассмотрим определение квантовых сенсоров. Квантовые сенсоры - это, естественно, высокоточные измерительные приборы, основанные на квантовых эффектах. От этих сенсоров ожидается высокое пространственное и временное разрешение, что позволит повысить точность измерений в сравнении с существующими классическими сенсорами. Тем более, использование свойств суперпозиций, запутанности, сжатия квантовых состояний, в свою очередь обеспечит в перспективе максимальную возможную чувствительность измерений за счет преодоления стандартного квантового предела.

Благодаря высокой степени контроля над состоянием отдельных микроскопических систем, обеспечиваемая квантовыми технологиями, позволяет создавать квантовые сенсоры с очень высокой чувствительностью. Развитие таких технологий может дать мощный импульс сразу в некоторых областях: оборона и безопасность, навигация в космосе и беспилотных транспортов, строительство, нефтедобыча и геологоразведочные работы, медицинская диагностика и индустрия.

Квантовые сенсоры позволяют измерять множество различных физических величин с невероятной точностью, но давайте поговорим об основных характеристиках данных устройств. В общем случае ключевыми характеристиками сенсоров являются: прецизионность, чувствительность к изменению величины детектируемого сигнала, специфичность к анализируемому сигналу, пространственное и временное разрешение, динамический диапазон, рабочий диапазон, например частотный, температурный и т.д., время отклика или анализа, относительная воспроизводимость частоты, возможность многократного использования за счет регенерации детектирующей поверхности, энергопотребление; габариты и мобильность, сложность обслуживания и эксплуатации, срок службы; стоимость производства и эксплуатации.

Если говорить об уровни готовности, то в мире она составляет TRL 3-9, а в России TRL 1-5, что говорит о том, что пока в мире идет демонстрация технологий в окончательном виде, в России идет только проверка основных теологических компонентов в реальных условиях. Это показывает, что в квантовых сенсорах мы отстаем сильнее от мира, нежели в квантовых вычислениях. Однако, в настоящий момент в России существует ряд перспективных решений в области квантовой сенсорики, опирающихся на технологический задел научно-исследовательских организация и производственных компаний.

К числу таких решений, имеющих практические приложения и коммерческие перспективы, можно отнести: оптические атомные часы, гравиметры и акселерометры на атомах рубидия, гироскопы на ансамблях спинов в твердом теле, локальные сенсоры магнитного поля и температуры на основе азото–замещеной вакансии в алмазе и электрического поля – на центрах окраски, датчики электромагнитных полей на основе когерентных состояний спинов в магнитоупорядоченных средах, спинтронные сенсоры, магнитоплазменные сенсоры, твердотельные фотоумножители, спектрограф с использованием микрорезонаторов, источники и приемники одиночных фотонов. Но самой важной поддерживающей технологией является разработка дешевых лазерных модулей.

Лидирующие организации

• АО ИСС им Решетнева;
• АО РИРВ; ВНИИФТРИ;
• Время– Ч;
• ИЛФ СО РАН;
• ИПФ РАН;
• ИСАН;
• ИФТТ РАН;
• МГУ им. М.В. Ломоносова;
• МФТИ;
• НИТУ МИСиС;
• МИФИ;
• Объединенный институт ядерных исследований,
• ФТИ им. Иоффе;
• ООО «Детектор Фотонный Аналоговый» (ООО «ДЕФАН»);
• РКЦ; Университет ИТМО;
• ФИАН им. П.Н. Лебедева;
• ЦКТ МГУ им. М.В. Ломоносова;
• Центр перспективных технологий и аппаратуры.

Квантовые коммуникации

Квантовая коммуникация, это технологии, направленные на устранение угрозы информационной безопасности, в том числе со стороны квантовых компьютеров. Они включают в себе использование свойств квантовых систем для передачи ключей, и, естественно, главное преимущество — это защищенность информации, гарантированная законами физики.

Уровень готовности в мире составляет TRL–9 как в решениях точка–точка, так и в сетях с доверенным узлом. Оборудование КРК для сетей с недоверенными узлами находится на уровне лабораторного тестирования. Сегодня уровень готовности отечественных решений точка–точка можно оценить, как TRL–8. В то время, как в части квантовых сетей на основе доверенных узлов отечественные разработки квантовых сетей сильно отстают от уровня Китая и ЕС: TRL–6 против TRL–9.

Исторически динамика движения российских команд очень позитивная. В результате позднего старта только в 2016м году были представлены полевые испытания прототипов, что соответствует отставанию в 12–14 лет. За 3 года отставание по решениям точка–точка сократилось до 3–х лет. За следующие 3–4 года необходимо за время действия программы ликвидировать отставание полностью. В данной области в России имеются существенные научно–технические и технологические заделы. Функционирует несколько команд, которые демонстрируют прототипы новых решений и проводят испытания в реальных условиях. За период функционирования программы, предлагаемой в настоящей ДК, предполагается создать ряд рыночных решений для систем КРК, сертифицированных регулятором.

Актуализация угрозы квантового компьютера увеличит скорость развития рынка квантовых коммуникаций как в России, так и за рубежом. Поддержка строительства квантовых сетей сформирует сильных игроков рынка, которые создадут как магистральные сети, так и разветвленные городские.

Новые решения должны позволить перейти от решений «точка–точка» к архитектуре «звезда» со снижением стоимости подключения и к решениям без требования к доверию промежуточному узлу. Ускоренное развитие отечественных игроков позволит захватить 8% мирового рынка, что, в свою очередь, должно обеспечить развитие отрасли за горизонтом программы ЦЭ.

Ключевыми характеристиками технологий квантовой коммуникацией является предельная дальность распределения секретных ключей, скорость распределения секретных ключей, степень секретности ключей, цена, требование к инфраструктуре. Но это не полноценный список характеристик, так как по итогам обсуждениям с Регулятором этот список может дополнится.

Лидирующие организации

• ЗАО «Сверхпроводниковые нанотехнологии» (Сконтел);
• ИФП А.В. Ржанова СО РАН;
• МПГУ; ПАО «Ростелеком»;
• РКЦ (совместно с компаниями КуРэйт, С–Терра, КриптоПро, Амикон, Код Безопасности, МИАН им. В.А. Стеклова);
• Университет ИТМО (совместно с компаниями Квантовые коммуникации, Смартс, Кванттелеком и Квантовым Центром КНИТУ–КАИ);
• ЦКТ МГУ им. М.В. Ломоносова (совместно с компаниями ИнфоТеКС и Криптософт).

Основные рыночные тенденции развития квантовых технологий

Давайте рассмотрим основные моменты развития квантовых технологий в мире, и то, к чему они могут нас привести.

• Согласно данным Markets and Markets основными драйверами роста для рынка квантовых вычислений станет борьба с киберпреступностью, использование квантовых вычислений в автомобильной и оборонной промышленности, а также увеличение объема государственных инвестиций. В Европе, США, Китае, Великобритании, Японии, Канаде и Австралии созданы программы по развитию квантовых технологий.
• Другим драйвером развития квантовых вычислений является развитие машинного обучения и искусственного интеллекта. По данным Accenture половина роста экономики развитых стран к 2035 г. будет за счет AI – это 2.5 трлн долл. в год. Если предположить, что доля применений квантовых вычислений в AI составит 20%, то соответствующий денежный эквивалент может составить до 500 млрд долл. в год.
• Наряду с государственными программами поддержки, интерес к квантовым технологиям проявляют такие компании как Google, IBM, Microsoft, Intel Alibaba, Hewlett Packard Enterprise, Nokia Bell Labs, и Raytheon. В мире уже появились первые потребители квантовых технологий. К ним относятся Lockheed Martin, Airbus, Volkswagen и др.
• За счет потребления меньшего количества энергии в будущем квантовые компьютеры будут дешевле в использовании, чем классические суперкомпьютеры. Энергопотребление квантовых компьютеров будет более чем в 100 раз меньше, что позволит в будущем экономить десятки миллиардов долларов в год.

Квантовые сенсоры и метрология

• Одной из главных тенденцией рынка станет применение квантовой сенсорики в области медицины. В частности, их использование будет востребовано в цитологии и создании новых медицинских устройств, например, для диагностики и лечения онкологических и других заболеваний.
• Еще одним из главных трендов является растущий спрос на интернет вещей, что в значительной степени стимулирует рост рынка квантовых сенсоров.
• Также рост соответствующего рынка стимулирует развитие глобальных навигационных систем, которые широко используется в аэрокосмической и автомобильной отраслях для навигации.

Квантовые коммуникации

• Рост общего числа данных. По прогнозам IDC к 2020 г. цифровая вселенная достигнет объема в 40 зеттабайт. Всего с начала 2010 г. объем данных вырос в 50 раз.
• Рост доли данных, нуждающейся в защите. По прогнозам IDC доля информации, нуждающейся в защите, неуклонно растет: с 30% до 40% к 2020 году. В то же время экспертами (Positive Technologies) отмечается, что уровень защиты данных недостаточно высок.
• Рост инвестиций в IT–инфраструктуру (хранение и управление информацией, оборудование, телекоммуникации и персонал) в период с 2012 по 2020 г. на 40%. Инвестиции в хранение и защиту информации, Big Data и Cloud Computing будут расти значительно быстрее.
• Рост числа инцидентов информационной безопасности. Рост обеспокоенности индустрии в отношении сохранности данных. Суммарные потери от киберпреступлений сейчас – более $ 1 трлн. в год, в том числе 600 млрд руб. в России. Прогноз на 2020 г. – до $ 2,1 трлн.
• «Цифровизация» экономики: быстрое внедрение облачных технологий и блокчейнов. По прогнозам IDC к 2020 г. с использованием облачных сервисов будет обрабатываться почти 40% данных. 14
• Ускорение темпов роста технологии квантовых вычислений за счет увеличения инвестиций со стороны государства (США – 20 млрд долларов, Китай – 10 млрд долларов, Европейский союз – 3 млрд евро и т.д.), со стороны частный компаний (Google, Intel, IBM, Microsoft, Alibaba, Huawei и т.д.), а также со стороны венчурных фондов. По данным The Economist, венчурные инвесторы вложили в проекты в сфере квантовых технологий больше 250 млн долларов за последние годы. Это касается как стартапов, разрабатывающих «железо» для квантовых компьютеров, так и программное обеспечение и другие технологии.
• Крупные международные компании в области консалтинга и аудита (PwC, Accenture, Deloitte и др.) рекомендуют пересмотр долгосрочного плана обеспечения информационной безопасности из-за квантовых компьютеров.

Заключение

Подведя итоги, крайне несложно догадаться как сейчас зависит наш будущий мир от квантовых технологий. А сколько амбиций от одного квантового компьютера, с помощью которого появится возможность моделировать и решать те задачи за считаные секунды, на которые тот же суперкомпьютер мог бы потратить дни.  Квантовые сенсоры будут очень востребованы в медицине, ибо они позволят вывести диагностику онкологических и других заболеваний на новый уровень.

Я уже и не говорю про навигацию в совокупности с квантовыми сенсорами. Информационная безопасность тоже выйдет на новый уровень с квантовой коммуникацией, тем более, что рост доли данных, нуждающихся в защите, растет и растет. Да и экономику квантовая коммуникация не обходит стороной, ибо она позволяет быстрое внедрение облачных технологий и блокчейнов. Да что там, такими темпами и телепортация, основанная на квантовой запутанности, не за горами.

Одно расстраивает, это то, что Россия отстает в мире по квантовым технологиям. Особенно в квантовых коммуникациях и сенсоров, на 3-4 пункта, что является достаточно сильным разрывом с миром. И я надеюсь, что со временем наша страна сможет хотя бы догнать уровень развитий квантовых технологий других стран.