Квантовый потенциал: как устроить новый технологический прорыв

Квантовые технологии однажды уже изменили мир, теперь они готовятся сделать это во второй раз. Эксперты рассказали, как это произойдет, что современные квантовые технологии могут предложить миру и как Россия стремится не отстать в "квантовой гонке".

Что отличает квантовые технологии

Квант — это определенная порция энергии, и изучающий эту сферу раздел физики начал формироваться в самом начале XX века. Как объяснил порталу руководитель группы квантовых информационных технологий Российского квантового центра (РКЦ) Алексей Федоров, квантовая физика способна показать в микроскопических масштабах, как устроен мир, и описывает поведение мельчайших частиц материи — протонов и электронов, атомов (где число протонов и электронов равное), ионов (где количество протонов и электронов не равно), фотонов (квантов электромагнитного излучения) и других. На принципах квантовой физики твердого тела и квантовой оптики основаны такие важнейшие изобретения, как транзистор и лазер.

"Если задуматься, именно эти два изобретения сделали мир таким, каким мы его знаем сегодня. Благодаря транзисторам появились компьютеры и интегральные микросхемы, а лазерам — оптическая телекоммуникация. То и другое вместе дало нам интернет и мобильную связь", — рассуждает профессор Оксфордского университета, научный руководитель группы "Квантовая оптика" РКЦ Александр Львовский.

Получается, что мы уже сегодня живем в эпоху квантовых технологий. Однако, по словам Львовского, в последнее время наметился новый технологический прорыв.

Если в основе работы лазера и транзистора, как отметил научный сотрудник лаборатории "Сверхпроводящие материалы" НИТУ "МИСиС" Илья Беседин, лежит использование квантовой природы большого числа электронов и атомов, то с развитием технологий появилась возможность работать со все более маленькими массивами частиц, управлять свойствами каждой из них.

"На сегодняшний день существуют источники и детекторы одиночных фотонов, одноэлектронные транзисторы, разработаны технологии захвата отдельных атомов и ионов в "ловушках". У таких устройств проявляются уже абсолютно новые свойства, которые невозможно создать при помощи больших классических устройств", — пояснил эксперт.

Научно-технологическое направление по созданию принципиально новых устройств на основе необычных свойств квантовых частиц называется квантовыми технологиями. Эксперты, опрошенные порталом, уверены, что такие технологии способны изменить мир не меньше, чем их предшественники — транзисторы и лазеры.

Сейчас развитие новых квантовых технологий, по словам Федорова, находится на достаточно ранней стадии, однако в самое ближайшее они могут стать экономически эффективными в ряде задач. Именно поэтому индустрия уже запускает пилотные проекты по их применению.

"В среднесрочной перспективе использование квантовых технологий может дать определенную "отстройку" от конкурентов тем компаниям, которые занимаются их развитием и использованием, а в масштабе 10–15 лет у квантовых технологий есть все шансы изменить наш мир", — считает он.

Настоящее и будущее

Александр Львовский выделяет пять основных отраслей квантовых технологий: квантовые коммуникации, квантовые вычисления, квантовая эмуляция (имитация), квантовая хронометрия и квантовые датчики. По его словам, какие-то из этих технологий существуют пока исключительно в форме идей или демонстрационных экспериментов, а какие-то уже успешно коммерциализированы.

К последним относятся, например, квантовые коммуникации, часто называемые квантовой криптографией или квантовым распределением ключей. Это новый подход к шифрованию, позволяющий тайный обмен сообщениями по открытому каналу между партнерами, у которых не было предварительной возможности договориться о каком-то секретном шифре.

"Совершенно очевидно, что защита информации является сегодня одной из приоритетных задач, ибо никто не хочет однажды проснуться и обнаружить украденными все свои данные: деньги с банковского счета, фотографии из iСloud, переписку", — говорит сотрудник Международного института "Фотоника и оптоинформатика" Университета ИТМО Антон Козубов.

Эксперт рассказал, что используемые сейчас методы защиты информации чаще всего строятся на том, что у злоумышленника просто не хватит ресурсов, чтобы расшифровать данные пользователей, пока они актуальны. Однако всегда можно сделать копию этих данных и надеяться, что когда-то в будущем их можно будет расшифровать.

"Ключевой момент здесь — существование этой самой копии. Как только мы начинаем использовать одиночные фотоны для передачи информации, то тут уже вступают в силу квантовые эффекты", — подчеркнул Козубов.

Козубов пояснил, что у фотонов есть три очень важных особенности: их нельзя измерить, не разрушив, невозможно разделить и нельзя скопировать. Таким образом, в квантовом мире можно разработать носитель информации, который нельзя точно скопировать, добавил Илья Беседин.

Классическая цифровая информация кодируется битами, способными находиться только в двух состояниях — 0 или 1. Квантовая же информация записывается в кубитах, которые могут принимать два этих значения одновременно.

"Хитрость в том, что для того, чтобы однозначно восстановить состояние одного кубита, нужно провести как минимум два измерения, но реально можно провести только любое одно из них; второе измерение после первого будет давать просто случайный результат", — пояснил Беседин.

Таким образом, квантовая криптография использует это фундаментальное свойство природы, чтобы защитить информацию от так называемых man-in-the-middle-атак, когда злоумышленник вмешивается во взаимодействие двух сторон, искажая передаваемую ими информацию. В результате, если атакующий перехватил линию, то оба корреспондента смогут это выяснить.

"На самом деле квантовая криптография этим не ограничивается, но самое главное — это то, что могут создаваться и уже создаются системы безопасной передачи данных с гарантиями, которые невозможны с точки зрения классической физики", — рассказал Беседин.

 

Тем не менее, по словам Александра Львовского, пока квантовыми коммуникациями можно пользоваться лишь на небольших расстояниях — десятках, может быть, сотнях километров. Все дело в том, что обычный сигнал, передаваемый через оптоволокно, можно усилить, а в случае с фотонами любое воздействие на них приводит к тому, что их состояние меняется.

"Для того, чтобы эту дистанцию увеличить, сделать "квантовый интернет", нужен новый научно-технический прорыв. Думаю, его тоже можно ожидать в течение десятилетия", — заявил эксперт.

В настоящее время эксперты также отмечают бурное развитие квантовых компьютеров. В отличие от обычных они оперируют не битами, а кубитами. Недавно компания Google впервые продемонстрировала квантовый компьютер, решивший задачи в миллионы раз быстрее, чем классический, рассказал Львовский.

"Однако нужно понимать, что это не практически полезное вычисление, а некая совершенно искусственная задача, специально сформулированная так, чтобы квантовому компьютеру ее было легко решить, а обычному — классическому — трудно", — подчеркнул он.

Таким образом, по мнению экспертов, практическое применение этой технологии — это вопрос будущего.

"Может быть, полезный квантовый компьютер будет раньше, чем через 10 лет, а может, больше, чем через 20, — считает Илья Беседин. — Но он обязательно будет, потому что фундаментальных причин ему не быть нет, и принципиально понятно, что надо делать, а его практические применения слишком желанны, чтобы эту мечту можно было оставить в покое".

По словам Козубова, квантовые компьютеры открывают огромные перспективы для науки. Благодаря гораздо более высокой производительности процессора по сравнению с обычными компьютерами они могут позволить, например, моделировать новые лекарства и материалы, а также решать другие сложнейшие вычислительные и оптимизационные задачи, используя квантовые эффекты.

Еще одно активно развивающееся направление — квантовые сенсоры и метрологические устройства. Они могут позволить проводить с предельно возможной точностью измерения различных физических величин, например магнитного поля, времени или температуры, сообщил Алексей Федоров.

"Квантовая гонка"

"Квантовая гонка" идет по всему миру и по всем направлениям, рассказал Алексей Федоров. Особенно активны, по его словам, США, Китай, Канада, ЕС, Великобритания, Япония и Австралия. Интерес к квантовым разработкам, помимо университетов и исследовательских центров, проявляют такие индустриальные гиганты, как Google, IBM, Microsoft, Intel, Alibaba, Amazon, Airbus и Volkswagen, вкладывающие в них значительные средства. Стартапы в этой области привлекают заметные инвестиции.

Россия тоже вовлечена в это технологическое соревнование. Дорожная карта по развитию квантовых технологий, разработанная в рамках реализации нацпроекта "Цифровая экономика", предполагает вложения в размере 51,1 млрд рублей до 2024 года. Эти инвестиции необходимы для того, чтобы Россия могла сделать прорыв в области квантовых технологий, отмечается в документе.

На данный момент в нашей стране есть наработки и по квантовым коммуникациям, и по квантовым сенсорам, и по квантовым вычислениям, рассказали эксперты.

В частности, в сфере квантовых коммуникаций, по мнению экспертов, в России есть разработки, способные конкурировать на мировом уровне. Университет ИТМО уже успешно проводил испытания подобных систем с "Ростелекомом" и Сбербанком. Кроме того, квантовыми коммуникациями на коммерческой основе в России занимаются, например, стартап РКЦ QRate и компания "Инфотекс".

Дорожная карта предполагает, что в 2019 - 2020 годах будут реализованы пилотные проекты по внедрению продуктов на основе квантового распределения ключей в пяти крупных российских компаниях в качестве элементов системы защиты информации. Антон Козубов отметил, что, например, в Австрии и Швейцарии некоторые банки уже используют системы квантового распределения ключей для защиты данных.

Что касается квантовых вычислений, то, по словам Ильи Беседина, Россия пока существенно отстает от лучших зарубежных исследовательских групп.

"Самые продвинутые зарубежные группы по сверхпроводникам — это группа Джона Мартиниса в университете Калифорнии в Санта-Барбаре, финансируемая Google, и группа IBM. Их самые большие квантовые процессоры содержат 53 кубита, а у нас 2 (чем больше число кубитов, тем выше производительность компьютера, — прим. ред.)", — рассказал он.

С атомами и ионами похожая ситуация: если у российских ученых речь идет о том, чтобы надежно научиться делать хорошие одно- и двухкубитные операции, то у лидеров этой деятельности сейчас на первом месте задача адаптации систем на десятки и более кубитов, добавил он.

Тем не менее квантовыми вычислениями в России занимаются несколько научных лабораторий, в том числе в Москве и Новосибирске.

"В мире нет точного консенсуса относительно того, на основе какой физической системы лучше делать квантовый компьютер. Наша группа сейчас делает проект по созданию прототипа квантового процессора на основе кубитов из сверхпроводниковых материалов (имеют нулевое электрическое сопротивление, — прим. ред.)", — рассказал представитель МИСиС. "Кроме того, есть большой проект по созданию квантового компьютера из нейтральных атомов и фотонов (физическими системами, реализующими кубиты, могут быть любые объекты, имеющие два квантовых состояния, — прим. ред.)", — добавил Беседин.

По словам Федорова, у России есть достижения и в квантовых сенсорах, в частности в создании сверхточных детекторов фотонов и магнитных сенсоров. Так, отечественная компания Scontel развивает технологию однофотонных детекторов, способных регистрировать одиночные фотоны.

Согласно дорожной карте, в 2023 году в России также предполагается использовать квантовые сенсоры в сфере медицины и интернета вещей. В начале декабря 2019 года вице-премьер РФ Максим Акимов сообщил, что правительство РФ отправило на доработку дорожную карту по квантовым сенсорам.