Вычисления невиданной сложности. Как развиваются квантовые технологии
Мы все окружены квантами (один солнечный свет чего стоит), но для обычного человека квантовые технологии пока остаются чем-то недоступным и ассоциируются с далеким будущим. Между тем с их помощью уже сегодня упрощаются логистические процессы, появляются новые прочные и легкие материалы, происходят революционные изменения в здравоохранении. В ближайшей перспективе – появление квантовых суперкомпьютеров, которые будут помогать создавать лекарства от неизлечимых болезней и моделировать материалы с необычными свойствами.
Этим летом в немецком Энингене IBM запустила первый коммерческий квантовый компьютер с 27 кубитами. / ФОТО Bernd WEISSBROD/dpa/picture-alliane/ТАСС
Биты превращаются в кубиты
Что такое квантовые технологии? Как конкретно они могут использоваться в повседневной жизни каждого из нас? Какие преимущества бизнес и простые граждане получат от их внедрения? Нынешним летом эти вопросы обсуждали на VI международной конференции по квантовым технологиям ICQT-2021. Специалисты крупнейших компаний, представители квантовых стартапов, профессора ведущих университетов рассказывали о передовых достижениях в этой области. Еще недавно на подобных мероприятиях обсуждали лишь потенциальную возможность квантовых технологий, а на этот раз речь шла уже о практическом применении квантов в авиастроении, финансах, логистике, медицине и информационной безопасности.
Показательно, что помимо научных докладов в программе были предусмотрены мероприятия и для широкой аудитории, которую пора «приучать» к будущим изменениям. До сих пор далеко не все знают, чем обычный компьютер отличается от квантового. Основное различие в том, что классические компьютеры хранят информацию в двоичном коде, а их наименьшей единицей хранения информации является бит, принимающий одно из двух значений (0 или 1).
Квантовые же компьютеры для решения задач используют квантовые биты – кубиты. Каждый кубит принимает все значения одновременно (и 0, и 1) и может находиться одновременно в нескольких состояниях. За счет этого при вычислениях они не перебирают последовательно все возможные комбинации, а производят их практически моментально. Скорость вычислений возрастает многократно, что сокращает не только временные, но и финансовые затраты.
Неудивительно, что над созданием квантовых компьютеров работают такие гиганты IТ-рынка, как IBM, Microsoft, Google, Intel. В России с 2010 года действует Российский квантовый центр (РКЦ). В 2018 году его специалисты первыми в мире запустили квантовый блокчейн.
В 2019 году правительство РФ утвердило «дорожную карту» развития квантовых вычислений – «Квантовые технологии». Головной организацией, ответственной за воплощение в жизнь описанных в ней проектов, стал Росатом. Предполагается, что к 2024 году в России должны появиться технологии, использующие квантовые вычисления, а в стране будет создан 100-кубитный квантовый компьютер. Перед разработчиками стоит задача построить квантовые процессоры на четырех основных платформах: сверхпроводниках, ионах, атомах и фотонах, а также создать облачный софт, который позволит работать с этими процессорами удаленно, вне лабораторий. На реализацию «дорожной карты» заложено более 23 миллиардов рублей.
Задача стоит, конечно, амбициозная. Так, 100-кубитный компьютер способен выполнять два в сотой степени операций одновременно – то есть, по нашим меркам, практически бесконечность. Правда, несколько смущает, что об этой задаче в Росатоме объявили еще три года назад, но с тех пор громких промежуточных результатов не видно. К тому же в плане амбиций нас уже переплюнули – в IBM к 2023 году планируют создать компьютер с более чем тысячей кубитов.
Пока же в квантовой гонке лидируют другие. Некоторое время впереди была компания Google (53 кубита), однако прошлым летом на первое место вырвались инженеры из американской компании Honeywel (64 кубита), а следом лидерство перешло к китайцам – их компьютер Zuchongzhi оснащен 66 кубитами. Каждый лишний кубит играет большую роль – ведь он сразу повышает мощность вычислений в два раза. Причем созданные машины уже способны решать задачи, которые у классических суперкомпьютеров отняли бы годы.
От крыльев самолета до генома человека
Словом, мощные квантовые компьютеры уже стали реальностью. Купить их в магазине, конечно, нельзя, однако эти монстры уже вовсю работают, а создавшие их компании зарабатывают серьезные деньги, продавая свои вычислительные мощности.
По данным аналитиков консалтинговой компании BCG, рынок квантовых вычислений и связанных с ними услуг в ближайшие два десятилетия будет быстро расти и к началу 2040 годов его объем достигнет 450 – 850 миллиардов долларов.
Значимая часть рынка (20 – 40%) будет связана с моделированием химических, физических и экономических процессов. Несколько меньшая часть рынка придется на технологии и продукты, связанные с машинным обучением, а также оптимизацией логистики. Менее всего перспектив у криптографической части рынка.
В России, по мнению исследователей, в ближайшие годы будут особенно востребованы вычислительные технологии, которые станут применяться для решения оптимизационных задач, в том числе в сфере финансов, страхования, логистики и в аэрокосмической отрасли.
«Квантовые технологии помогают изучать и оптимизировать нагрузки как на протяжении различных фаз полета, так и в создании воздушных судов и подготовке их к рейсам, – объясняет менеджер по исследовательско-технологическому сотрудничеству Airbus Паоло Бьянко. – Квантовые вычисления позволяют сокращать время проведения расчетов, что может быть особенно ценно при конструировании крыльев летательных аппаратов с учетом сложной аэродинамики. Оперативность расчетов в свою очередь способствует ускорению цикла производства судов».
В списке перспективных направлений, в которых будет полезен квантовый компьютер, оптимизация логистических задач при планировании маршрутов атомных ледоколов по Северному морскому пути, а также медицина. В частности, квантовые технологии существенно сократят время расшифровки геномов, что поможет развитию генной терапии.
На конференции ICQT-2021 ученые РКЦ вместе с исследователями из компании Genotek представили результаты совместного научного проекта по использованию квантовых компьютеров и алгоритмов в генетике, над которым работали с 2019 года. В ходе эксперимента им удалось сократить время сборки генома с помощью квантовых и квантово-вдохновленных алгоритмов на устройстве квантового отжига и российском программном эмуляторе. В качестве объекта исследования был выбран геном реального организма вирусного происхождения – бактериофага. При этом сам алгоритм ускорения сборки генома уже есть, он универсален и может быть применим к человеку.
Правда, по словам ведущего автора исследования РКЦ Алексея Федорова, пока из-за относительно небольших мощностей текущего поколения квантового компьютера на нем можно анализировать только геном микроорганизмов. Однако с ростом производительности компьютеров ускорению в сборке может быть подвергнут и геном человека, а это окажет существенное влияние на диагностику и лечение таких заболеваний, как онкология, включая обнаружение и изучение новых типов опухолей. Кроме того, ускорение сборки генома человека с использованием квантовых компьютеров позволит применять полученные данные для оказания неотложной медицинской помощи и при анализе новых типов заболеваний, поможет развитию персонализированной медицины.
Безопасность до поры
Благодаря квантовым технологиям в мире появляется и суперзащищенная связь нового поколения. Современные люди постоянно получают и передают информацию с помощью электронных гаджетов. Любую деятельность как мелких, так и крупных компаний также сопровождает вал цифровой информации. Важно, чтобы передаваемые нами сведения не попадали к злоумышленникам. Именно такую безопасную передачу информации обеспечивают квантовые коммуникации, которые только выходят на рынок.
В июне этого года начала работу первая в России магистральная линия квантовой связи. Она протянута между Москвой и Петербургом на 700 км. Это самый длинный участок квантовой сети в Европе и второй по величине в мире. Основная задача подобных квантовых сетей заключается в быстрой и, главное, безопасной передаче данных на большие расстояния. По сути, это обычный канал связи, но сама передача данных идет по квантовым законам, с использованием фотонов. К 2024 году аналогичные линии будут протянуты до Урала и на юг России. К этому времени их общая протяженность составит 7000 км.
Строительством первого отечественного канала квантовой связи занимались специалисты ОАО «РЖД» и петербургского Университета ИТМО, который в этом году запустил новую программу магистратуры «Квантовые технологии в индустрии».
А в марте этого года в Северо-Западном федеральном округе были проведены испытания в реальной сетевой инфраструктуре исполнительных органов государственной власти (ИОГВ) и определены схемы использования квантово-криптографического комплекса для защиты данных, передаваемых между двумя городскими площадками РРЦОД ИОГВ.
В частности, Петербургский информационно-аналитический центр (ГУП «СПб ИАЦ») завершил работу по исследованию характеристик комплекса квантово-криптографической аппаратуры защиты информации в инфраструктуре городской волоконно-оптической сети передачи данных, проведенную совместно с АО «Инфотекс».
«Эта уникальная работа позволила точно определить современный технический уровень криптографических систем, применяемых для защиты информации с использованием технологии квантового распределения ключей, – объяснили специалисты городского комитета по информатизации и связи. – Она наглядно продемонстрировала готовность города к внедрению этой технологии в обозримом будущем, что позволит значительно увеличить защищенность государственных информационных систем Северной столицы и хранящихся в них данных».
Словом, квантовые технологии в скором времени должны сильно улучшить нашу информационную безопасность. Впрочем, это лишь до тех пор, пока эти же технологии не освоили и хакеры. К счастью, в их руки в ближайшие годы квантовые компьютеры попасть не должны – все-таки они пока остаются слишком сложными сооружениями. Хотя ведь и обычные компьютеры всего лишь каких-то полвека назад занимали целые комнаты, а теперь умещаются в тонком корпусе смартфона...
Материал опубликован в газете «Санкт-Петербургские ведомости» № 162 (7000) от 01.09.2021 под заголовком «На квантовом пороге».
Комментарии