Квантовый мост. Суперкомпьютерам готовят замену

Квантовые сети опутывают отечество. Государство и бизнес здесь заодно: все хотят считать быстрее, чтобы зарабатывать больше. В России начала реализовываться государственная программа по развитию квантовых сетей передачи данных. Это мировой тренд, призванный заменить существующие суперкомпьютеры, которые считались прорывной технологией еще пару лет назад, на квантовые аналоги. 

Назад к физике

Квантовая сеть представляет собой способ коммуникации, который позволяет защищать передаваемые данные с использованием фундаментальных законов квантовой механики. Данные в такой сети передаются очень быстро. Квантовые вычисления стали использоваться еще в 1980-е. 

Компания Google в 2019 году объявила о достижении так называемого квантового превосходства, продемонстрировав квантовый компьютер, справившийся с задачей, решение которой ранее считалось невозможным или требующим слишком большого количества времени. За 200 секунд была решена задача генерации случайных квантовых схем и перевода их в двоичный код с помощью массива из 54 кубит (кубит — квантовый разряд, или наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере). В компании утверждали, что «обычному» суперкомпьютеру потребовалось бы для этого около 10 тыс. лет. Правда, чуть позже специалисты IBM решили эту же задачу на классическом суперкомпьютере за 2,5 дня, но это всё равно гораздо дольше. 

В конце 2020 года в бой вступил Китай. Исследователи из Китайского университета науки и технологии заявили, что на квантовом компьютере «Цзючжань» удалось за 200 секунд решить задачу, на которую у классического суперкомпьютера ушло бы 2,5 млрд лет. Речь идет о задаче так называемого бозонного семплинга (boson sampling): ученые определили распределение квантово запутанных фотонов на выходе из сложной оптической системы.

Эксперты сходятся во мнении, что сегодня квантовые компьютеры являются единственной известной вычислительной технологией, которая может обеспечить экспоненциальное ускорение по сравнению с классическими суперкомпьютерами. Квантовые технологии активно развивают Китай ($12 млрд вложений), США ($2,5 млрд), Германия ($2,38 млрд). 

Квант на службе государства

В августе 2020 года правительство России утвердило дорожную карту по квантовым вычислениям, разработанную «Росатомом» и экспертами из Российского квантового центра. На реализацию программы до 2024 года предусмотрено 23,6 млрд рублей, в том числе 10,4 млрд рублей внебюджетного финансирования. 

В ноябре 2020 года «Росатом» объявил о запуске Национальной квантовой лаборатории. На территории Сколково будет построен центр нанофабрикации площадью 2 тыс. м², а также лабораторный комплекс площадью более 3,5 тыс. м². Закупленное оборудование будет использовано для открытия новых лабораторий и усовершенствования существующих лабораторных комплексов.

По словам заместителя министра цифрового развития, связи и массовых коммуникаций РФ Максима Паршина, дорожная карта включает в себя более 120 мероприятий и проектов, которые должны быть реализованы до 2024 года. Это развитие технологий оптоволоконных, атмосферных и спутниковых квантовых коммуникаций, создание коммерческих квантовых сетей связи и разработка абонентских устройств, развитие квантового интернета вещей и т.д. Одна из важных целей дорожной карты — создание к 2024 году отечественного 100-кубитного квантового компьютера.

Россия будет работать с двумя технологиями создания квантовых компьютеров: на принципах сверхпроводимости в условиях сверхнизких температур и на принципах захвата атомов лазерными лучами. Отечественные игроки рынка сейчас размышляют над возможностью использования модели «вычисление как услуга» на основе облачных платформ. Ведутся разработки оптической системы для обучения нейронных сетей, робота для тонкой настройки квантовых компьютеров, оптических тактильных сенсоров, самообучающегося шагающего робота и т.д. 

Квантовые компьютеры хорошо подходят для нужд машинного обучения, поскольку манипулируют большими объёмами данных и способны моделировать нейронную сеть. Поэтому автопроизводители сегодня исследуют это направление, разрабатывая беспилотные автомобили. Также квантовые компьютеры незаменимы в случаях, когда нужно физическими методами описать или исследовать сложные системы, например биологические.

Дальняя дорога к кванту

Положения дорожной карты в 2020 году уже начал реализовывать один из главных ее участников — ОАО «РЖД». У РЖД на сегодняшний день в наличии более 75 тыс. км оптико-волоконных сетей, а теперь компания приступила к созданию магистральной квантовой сети Москва — Санкт-Петербург протяженностью около 800 км. В сентябре было разработано техническое задание для строительства, а в декабре — комплект рабочей документации. 

На днях Сбербанк и «Росатом» заявили о старте совместных разработок в сфере квартовых технологий. Сбербанк еще в 2017 году совместно с Российским квантовым центром запустил линию связи с квантовой защитой между двумя московскими офисами. Теперь банк, судя по всему, собрался выйти на более серьезный уровень.

К концу 2021 года Центр квантовых технологий МГУ закончит строительство линии защищённой квантовой телефонии, которая свяжет между собой 20 абонентских пунктов на территории Московского университета. Максимальное расстояние между объектами — 50 км. 

«Перед тем как квантовое шифрование станет привычной частью защищенных бизнес-коммуникаций, необходимо тщательно протестировать все возможные варианты работы таких систем. Проект, который мы начали, дополняет и развивает эксперименты и разработки в области квантовых коммуникаций по волоконно-оптическим сетям, которые ранее проводили и мы, и другие компании, работающие в данной области», — отметил научный руководитель Центра квантовых технологий МГУ профессор Сергей Кулик.

Шифрование на высшем уровне

Потребителями услуг на рынке квантовых коммуникаций являются в первую очередь телекоммуникационные операторы, органы государственной власти, финансовые учреждения, организации здравоохранения, операторы критической инфраструктуры. Все они на первое место ставят вопрос защищенности данных. 

В сети МГУ конфиденциальность переговоров основана на стойком симметричном шифровании сетевого трафика между абонентами с использованием протокола квантового распределения ключей. В свою очередь, стойкость данного протокола основана на фундаментальном принципе квантовой физики — невозможности измерения фотона без изменения его состояния. Это значит, поясняют в МГУ, что, если злоумышленник попытается перехватить фотоны, из которых впоследствии должен сформироваться квантовый ключ, их изначально приготовленные состояния изменятся. Протокол обнаружит данные изменения и не станет использовать такие фотоны для формирования секретного квантового ключа.

Также одним из преимуществ «квантового» телефона является возможность шифровать голосовой трафик и текстовые сообщения пользователей на ключах, не известных даже администратору сети.

Перспективы 

«Квантовые технологии выглядят многообещающе, — считает исполнительный директор — начальник отдела Центр робототехники Сбербанка Святослав Морошкин. — С учётом физических ограничений, которые присуще классическим чипам, квантовые технологии могут дать их обладателям прорывное преимущество в кибербезопасности, финансовых технологиях и технологиях искусственного интеллекта». По мнению Святослава Морошкина, для робототехники квантовые технологии могут обеспечить беспрецедентный уровень безопасности каналов передачи данных, а также могут быть применены в вычислительных задачах, которые невозможно реализовать классическим способом.

По мнению главы РЖД Олега Белозерова, в первую очередь нужно выработать специальную квантовую платформу, которая «дала бы взрывной рост технологии и возможность всем участникам монетизировать получаемые от нее эффекты».