Квантовая гонка: что получит победитель

Квантовый компьютер – это вычислительное устройство, работающее на принципах квантовой физики. Такие компьютеры могут быстрее обычных решать задачи, связанные с криптографией, машинным обучением и моделированием молекул. Эксперты считают: когда такой компьютер сможет работать на полную мощность, он повторит принцип работы человеческого мозга.

Принцип работы обычного компьютера основан на транзисторе: либо он выключен, либо включен. Отсюда и кодирование информации в битах: 0 – тока из транзистора нет, 1 – ток есть.

В работе квантового процессора задействованы кубиты – квантовые биты, поэтому могут появляться любые значения между 0 и 1. Измерение в процессоре одной частицы позволяет делать выводы о другой.

При этом мощность электронного компьютера пропорциональная количеству транзисторов. У квантового она имеет экспоненциальный характер.

Однако чем больше кубитов, тем менее устойчива работа системы и, следовательно, вычислений. Более того, для стабильной работы квантового компьютера частицы должны находиться в условиях температуры абсолютного нуля. А для этого требуются мощные и дорогостоящие системы охлаждения.

Квантовая гонка по количеству кубитов началась в 1998 году, когда в США появился первый двухкубитный квантовый компьютер. С тех пор созданием квантовых вычислительных устройств занимаются технологические гиганты, такие как IBM, Microsoft, Google. Над коммерческими решениями для образовательных организаций работают физики из Китая.

Ученые из Российского квантового центра и Физического института им. Лебедева при координации «Росатома» представили ионный 16-кубитный квантовый компьютер Президенту РФ Владимиру Путину в июле 2023 года. В феврале 2024 года сооснователь Российского квантового центра Руслан Юнусов анонсировал создание 20-кубитного компьютера. Работа над проектом началась в 2019 году, к концу 2024-го количество кубитов планируют увеличить.

Кроме вычислений, существуют еще три направления развития квантовых технологий:

1. Постквантовая криптография;
2. Квантовые сенсоры;
3. Квантовые коммуникации.

Постквантовая криптография обеспечивает шифрование данных пользователей для защиты от квантовых атак извне. Постквантовые алгоритмы строятся на сложных математических задачах. Стойкость шифрования гарантируется математическими доказательствами секретности каждого из алгоритмов.

Квантовые сенсоры предназначены для измерения скорости, времени и расстояния с наименьшей погрешностью как на Земле, так и со спутника. Такие датчики нужны для навигации и определения положения подводных лодок, самолетов, баллистических ракет, спутников, а также беспилотных автомобилей. Предполагается, что сенсоры будут использованы в медицине и промышленном интернете вещей. Такими разработками занимается «Ростех».

Квантовые коммуникации нужны для защищенной передачи данных, в том числе от возможных атак с использованием квантового компьютера. Незаметно перехватить информацию не получится: по законам физики получатель обязательно об этом узнает.

На первом месте по количеству квантовых разработок в сфере коммуникаций находится Китай: в 2016 году запущен первый квантовый спутник «Мо-цзы», который обеспечивает безопасную передачу данных от Пекина до Вены. По этому каналу связи в 2023 году специалисты из России и Китая смогли передать закодированные изображения на расстояние 3800 км между Наньшанем и Звенигородом. Еще в Поднебесной существует линия квантовой коммуникации между Пекином и Шанхаем.

Российские разработки ведутся в рамках дорожных карт «Квантовые вычисления» и «Квантовые коммуникации». К 2022 году в стране построили участки магистральных квантовых сетей Москва – Санкт-Петербург и Москва – Нижний Новгород протяженностью 1147 км. К этой сети постепенно подключают другие города.

Квантовые сети разворачивают несколько национальных компаний: РЖД, «Газпром» и «Сбер». «Ростех» и «Ростелеком» работают над проектом «Беспроводная связь нового поколения».

В 2023 году мэр Москвы Сергей Собянин принял решение о создании Московского квантового кластера, объем инвестиций составит около 6,5 млрд руб. Площадь инфраструктуры бизнес-центров Loft в инновационном центре «Сколково», которые строятся для участников квантового кластера, составит более 25 тыс. кв. м.

В связи с санкциями разработчикам квантовых технологий недоступно некоторое оборудование, поэтому в России создают собственное. Ожидается, что к 2025 году отечественная продукция покроет потребности сотовых операторов, интернет-провайдеров и центров обработки данных.

Квантовые технологии смогут ускорить передачу данных, позволят экономить электроэнергию и обеспечат выход на новый технологический уровень.