Квантовые вызовы будущего: развитие технологий и достижения

В другой статье4 авторы смоделировали атаку на цепочку поставок и исследовали устойчивость нейронных и квантовых квантовые технологии нейронных сетей к атакам с использованием вредоносного набора данных. Результаты показали, что обе модели подвержены вмешательству со стороны злоумышленника. В 2016 году в рамках уже 13-го пятилетнего плана Китай начал национальный мегапроект по развитию квантовой связи и вычислений, который предполагает достижение основных результатов в этих направлениях к 2030 году.

Сколько денег страны мира тратят на квантовые технологии

В конце декабря 2021 года ученые Российского квантового центра и Физического института имени П. Лебедева РАН сообщили о создании универсального квантового компьютера на ионах. В разработке использовалась технология масштабирования квантовых процессоров с использованием многоуровневых носителей информации — кудитов. Директор департамента образования компании «Росатом – Квантовые технологии» Роман Ильин подчеркнул важность программ повышения квалификации учителей физики для формирования образовательной экосистемы в области квантовых вычислений. Директор по цифровизации «Росатома» Екатерина Солнцева отметила, что корпорация намерена стать лидером в создании конкурентоспособной квантовой индустрии на национальном уровне. По словам Солнцевой, стратегическая цель «Росатома» заключается в разработке и внедрении суверенных квантовых вычислительных технологий, которые будут применяться не только в атомной отрасли, но и в других ключевых секторах экономики.

Какие страны больше всех инвестируют в квантовые вычисления

В квантовых вычислениях мы имеем дело с другой единицей информации — кубитом, более сложным объектом, чем бит. Как правило, физически кубит представляет собой квантовую частицу, например атом, ион, фотон. В 2017 году китайское правительство вложило $10 млрд в создание крупнейшей в мире квантовой лаборатории в городе Хэфэй, к востоку от Шанхая. Китайские компании Tencent и Baidu развивают собственные проекты, а в начале 2020 года Alibaba объявила о выпуске 10-кубитового квантового облачного компьютера.

Британия запретила экспорт квантовых компьютеров

«Мы развиваем наш самый большой проект — это борьба с патологическим болевым синдромом. Пилотный проект в этой сфере можно провести с помощью квантового компьютера, поскольку это очень сложная задача», — Джанфранко Басти, профессор философии и науки, Латеранский Университет. Схожие задачи, с поправкой на специфику отрасли, решают и в нефтяной промышленности, отметил заместитель начальника Управления развития информационных технологий «РН-БашНИПИнефть» Рафаил Газизов. В июле «Ростелеком» и «Атлас» объявили об успешном завершении тестирования технологии квантового распределения ключей на магистральной линии связи TEA NEXT. Стандарты регламентируют требования как к рынку труда в области квантовых коммуникаций, так и к сфере образования. Например, «Росатом» через «дочку» СП «Квант», купил на ₽4,5 млрд «железа» для своего квантового компьютера у компании Uranium One Holding аж с нидерландских Антильских островов.

Лидеры квантовой гонки: динамика мировых инвестиций

• Важной частью компиляции квантовой схемы является ее оптимизация (например, для уменьшения количества вентилей).
• Ключевая проблема — технические ограничения, не позволяющие создавать системы с большим количеством кубитов (квантовых битов) для получения значимых вычислительных ресурсов.
• В будущем возможен вариант, при котором для мониторинга квантовых вычислений низкоуровневые средства защиты также должны будут иметь квантовую природу.
• Кубиты достаточно чувствительны к внешним факторам, что приводит к ошибкам, влияющим на производительность и надежность вычислений.
• Эта разработка по своей концепции напоминает синтаксический анализатор классического антивируса.
• Этому совету напрямую подчиняются так называемые Principal Investigators, стоящие во главе каждой из 15 научных групп.

Регистры же квантового компьютера — так называемые кубиты — находятся, если говорить грубо, в обоих состояниях одновременно, что позволяет им выполнять вычисления в миллиарды раз быстрее. В качестве кубитов используются элементарные частицы или их искусственно созданные скопления — по сути, рукотворные атомы. Носимой ими информацией выступают их квантовые характеристики — в качестве условного примера можно привести спин электрона.

«Росатом» направил 12 млрд рублей на развитие квантовых вычислений

Россия в рейтинге располагается на восьмом месте с вложениями в размере $0,7 млрд. При этом по объему госинвестиций в данном секторе Китай опережает Европейский союз и США вместе взятые. Такие данные консалтинговой компании McKinsey были обнародованы в июне 2024 года. Мы много говорим об искусственном интеллекте и про то, как он может повлиять и улучшить бизнесы многих компаний, про блокчейн и то, как технология за несколько лет вошла в топ самых востребованных на рынке, про квантовые технологии и то, как они смогут изменить наш мир.

76% мировых ЦОД будут использовать квантовые вычисления к 2023 году

Прототипы тестируются учеными-исследователями и корпорациями, но оборудование все еще слишком нестабильно (чтобы решать какие-либо практические задачи) и подвержено ошибкам. По словам аналитиков, ведущие страны, понимая прорывной потенциал этого направления, включают квантовые технологии в национальные программы и выделяют все большие бюджеты на исследования. Так, IBM, которая изготовила квантовый процессор на 433 кубита, планирует в этом 2023 году нарастить количество кубитов до 1121, а Google намерена показать устройство на тысячу кубитов после 2025 года. О намерении разработать полный стек технологий для квантовых вычислений заявила корпорация Intel и уже выпустила на рынок квантовые чипы на спиновых кубитах.

«Росатом» раскрыл подробности своего квантового компьютера

Вторая такая компания — «Дефан», поставляющая высокочувствительные универсальные фотодетекторы. Эти устройства демонстрируются на крупнейших технологических выставках от Мюнхена до Лас-Вегаса и находят самое широкое применение — от лазерных сканеров и масс-спектрографов до лидаров и систем космической связи. «Наши инвестиции в РКЦ имеют долгосрочный эффект,— подчеркивает Зауэрс.— Это хороший пример того, как с помощью частного капитала достигается национальное и мировое технологическое развитие.

Например, в сверхпроводящих кубитах время когерентности зависит от качества материала, температуры окружающей среды, наличия каких-либо магнитных полей. Кубиты достаточно чувствительны к внешним факторам, что приводит к ошибкам, влияющим на производительность и надежность вычислений. Например, злоумышленники могут использовать чувствительность к нагреву для реализации атаки типа «отказ в обслуживании» или к шуму и помехам — для атаки на целостность операций, вследствие чего полученные данные будут искажены. Квантовые вентили и операции измерения также могут работать нестабильно, что в теории позволяет злоумышленнику проводить атаки с внедрением ошибок, манипулируя взаимодействием между кубитами.

Какой путь к квантовому превосходству станет короче – частные инвестиции или государственные программы? Покажет время, а пока отметим достижения разных моделей поддержки квантовых технологий. Например, Китай делает ставку на академические исследовательские организации.

Также правительства разных стран понимают важность быть новаторами на постепенно проявляющемся рынке, поскольку именно новаторы занимают основную нишу, получая возможность определять его правила функционирования и стандарты. Рассмотрим программы стран, определивших программы на период 2020–2025 гг. По исследованию и развитию квантовых технологий, а также выделивших финансирование на них. За последние годы, как было указано выше, значительно возросли объемы инвестиций со стороны венчурных компаний и корпораций. Глобальные затраты на использование квантовых вычислений будут увеличиваться на 50,9% в год и составят $8,6 млрд к концу этого отрезка времени.

Именно технологии поддерживали работу многих компаний и помогали людям всегда оставаться на связи. Европейский рынок — один из тех, кто продемонстрировал растущий потенциал в данном направлении, особенно за последние пару лет. Благодаря центрам новейших технологий, ориентированных на прорывные решения, а также быстрорастущим стартапам в различных областях, Россия и весь европейский рынок являются идеальным местом для инвестиций.

Тип финансирования Акселератор подразумевает инвестиции в стартапы, поступившие через бизнес-акселераторы. По оценкам консалтинговой компании Boston Consulting Group (BCG), в 2020 году в квантовые стартапы было вложено $675 млн против $211 млн в 2019 году и $138 млн в 2018-м. Впрочем, далеко не все из существующих игроков на мировой квантовой арене занимаются активным фандрайзингом. Зачастую это связано с весьма неплохой доступностью грантового финансирования со стороны университетских и государственных программ, которого иногда вполне достаточно для финансирования проекта вплоть до стадии pre-prototype. По её словам, во внебюджетные средства войдут деньги «Росатома», однако планируется привлекать к участию и другие компании.

Стоит отметить значительную вовлеченность Китая и Республики Корея, научно-исследовательские команды которых проявляют высокую результативность в фундаментальных исследованиях квантовых технологий. Пандемия коронавируса COVID-19 привела ко всплеску спроса на квантовые вычисления, в том числе программное обеспечение, инструменты машинного обучения, облачные решения, искусственный интеллект и квантовые компьютеры, предлагаемые в качестве услуги. Если рассматривать инвестиции на государственном уровне, то безоговорочным лидером является Китай, который к 2022 году вложил в разработку квантовых компьютеров и сопутствующих технологий примерно $15,3 млрд.

Высокую патентную активность можно также зачастую рассматривать в качестве косвенного признака, отражающего направления инвестиций, поступающих в компании и технологические стартапы в сфере квантовых технологий. Общее количество выданных патентов в сфере квантовых вычислений среди корпоративного сектора приблизительно возросло в 4 раза, при этом активный рост начался с 2018 года. Компании D-Wave и IBM владеют примерно одной пятой от общего числа патентов, при этом в последние годы значительно увеличилась активность IBM и Google. Половина из 10 ведущих компаний имеют штаб-квартиры в США (IBM, Northrop Grumman, Google, Microsoft и Rigetti), и вместе они владеют 60% от общего числа патентов. Также необходимо учитывать и такой драйвер развития квантовых технологий, как вовлеченность частных компаний, корпораций и стартапов в научные исследования и разработки, часть из которых находит практическое применение. Результатом их деятельности по направлению НИР следует рассматривать число патентов (Рис. 3 и Рис. 4).

Однако существуют и расширенные версии кубитов — кудиты, способные одновременно находиться в трех состояниях (кутриты) или в четырех состояниях (кукварты). Российские физики построили систему из 2 куквартов, что полностью эквивалентно 4 кубитам. Первая Всероссийская летняя школа для учителей физики по квантовым вычислениям открылась 5 августа 2024 года. Организатором мероприятия выступила госкорпорация «Росатом» совместно с Национальным исследовательским ядерным университетом «МИФИ», Российским квантовым центром (РКЦ) и Фондом «Атом».

На сессии было отмечено, что одним из механизмов приближения квантовых технологий к разработчикам, практическим задачам и приложениям является развитие облачных сервисов. Проектный офис возглавил гендиректор Российского квантового центра (РКЦ) Руслан Юнусов, руководивший разработкой дорожной карты по квантовым технологиям в рамках федеральной программы «Цифровая экономика». 16 декабря 2019 года стало известно о новой дорожной карте, которую разработал «Росатом» в качестве плана развития квантовых вычислений в России. Госкорпорация предлагает концепцию одновременного создания оборудования и программного обеспечения. Соответствующее письмо «Росатом» направил профильной рабочей группе АНО «Цифровая экономика». Из него следует, что средства федерального проекта «Цифровые технологии» в сумме 8,1 млрд рублей будут перераспределены и урезаны.

В квантовой цепочке вычисления представляют собой последовательность квантовых вентилей, измерителей, а также включают инициализацию кубитов известными значениями и другие действия. Принятый в 2018 году закон о Национальной квантовой инициативе предусматривает сотрудничество федеральных центров с академическими учреждениями и частным сектором. В августе 2020 года в США создали пять федеральных центров квантовой информации под управлением Национальных лабораторий Министерства энергетики США. В исследовании отмечается, что как и любая революционная технология последних нескольких десятилетий, на рынке квантовых вычислений будут потрачены миллиарды долларов на то, чтобы сделать эту технологию привычной и готовой к массовому внедрению.