Россия в «квантовом мире»: прогресс несмотря на санкции14.07.2023 14:47

На квантовые технологии возлагаются большие надежды. Компьютеры, решающие задачи в сотни тысяч раз быстрее мощнейших современных машин будут востребованы во всех областях деятельности, среди наиболее нуждающихся в них — фармацевтика, химическая промышленность, связь. Как всегда, прогресс тормозится кадровым голодом, но, возможно, удастся переучить специалистов в области химии, физики и математики. Позиции России в этой области пока не очень прочны, однако наша страна твердо встала на путь развития квантовых технологий.

Квантовые технологии — следующая надежда мира ИТ

Квантовые технологии — одна из самых горячих тем на рынке ИТ. От них ждут прорывов и в других ИТ-сферах (криптография, блокчейн, ИИ) и на практике (в химпроме, в фармацевтике, в области связи). Все аналитические компании сходятся, что средний ежегодный рост рынка квантовых решений (ПО, оборудование, услуги) превысит в ближайшие годы 30%, с нынешних $800–900 млн в 2023 г. до $4,9–5,3 млрд в 2030 г…

Дальше всех заглядывает в будущее компания McKinsey, дающая прогноз аж на 2040 г. Ее разброс оценок размера «экосистемы квантовых технологий» весьма впечатляющ — от $11 млрд до $106 млрд. На собственно квантовые вычисления из этой величины придется от $9 млрд до $93 млрд, на квантовые коммуникации (коммуникации, которые не взломать даже квантовыми компьютерами) — от $1 млрд до $7 млрд, на квантовые сенсоры (датчики, построенные на основе квантовых систем, которые будут на порядки более чувствительны, чем классические датчики) — от $1 млрд до $6 млрд.

Выигрыш от использования квантовых систем четырех самых продвинутых индустрий (финансовой, автомобильной, химической и фармацевтической) составит $620–$1270 млрд уже к 2035 г.

Итоги прошлого года

В стремительно «набирающую ход» отрасль много инвестируют. Общий объем вложений в «профильные» стартапы в 2022 г. достиг $2,35 млрд, это рекордная величина, правда, всего на 1% превосходящая суммарные инвестиции 2021 г. На эти два года пришлись 68% всех инвестиций в начинающие «квантовые» компании за последние 20 лет, для примера — на третьем месте по годовым инвестициям находится 2017 г. с объемом приблизительно $400 млн. Впрочем, как отмечают аналитики McKinsey, это только известные данные, «реальные цифры скорее всего выше».

При этом резко сократилось число новых объектов для вложений — в 2022 г. появилось всего 19 новых компаний (в 2021 г. — 41, а рекорд, 58 стартапов, был достигнут в упоминавшемся 2017-м).

Среди причин этого «неурожая» в McKinsey называют нехватку талантов (почти все, у кого есть свежие идеи, уже создали свои компании), отсутствие новых областей применения квантовых систем (старые уже охвачены) и поведение инвесторов, которые предпочитают инвестировать не в новые компании, а в уже работающие, уже, возможно, чего-то добившиеся.

Среди частных инвесторов лидируют компании из США, вложившие в 2021–2022 гг. в «квантовые» стартапы $3,3 млрд, канадские — $1,2 млрд, британские — $1,1, Евросоюза — $0,5 млрд, китайские — $0,3 млрд, все остальные — еще $0,5 млрд.

А вот на государственном уровне нет равных Китаю. Правительство Поднебесной расщедрилось на $15,2 млрд. Далеко позади Евросоюз ($8,4 млрд) и США ($3,7 млрд). Остальные госпрограммы не дотягивают и до $2 млрд (российская, например, всего $0,7 млрд).

Правда, сравнивать напрямую эти величины не совсем корректно: указанные инвестиции в рамках госпрограмм «размазаны» на разные временные промежутки (как правило — пятилетние, но не обязательно), сами госпрограммы принимались в разные годы и постоянно корректируются. Так, Штаты в 2022 г. добавили к ранее анонсированным объемам финансирования $1,8 млрд, Евросоюз — $1,2 млрд (данные в таблице приведены уже с учетом этой добавки).

К тому же, отмечают аналитики, китайские и, «в меньшей степени», японские цифры не совсем прозрачны. Да и в некоторых других странах, с большой вероятностью, есть «закрытые» статьи расходов, но порядок величин понятен.

Научные достижения и технологический прогресс

Если измерять успехи в области квантовых технологий в количестве патентов, то Китай опять впереди всех. Его ученым принадлежит более 52% всех тематических патентов, выданных в 2000–2022 гг., причем большая их часть выдана в последние годы. У второго призера, Японии, менее 14%, распределенных по временной шкале более-менее равномерно.

Впрочем, эти цифры тоже надо воспринимать с осторожностью: как отмечают аналитики, раскрываются данные о местоположении приблизительно лишь половины штаб-квартир компаний, владеющих патентами.

При этом отмечается, что количество научных публикаций и патентов по квантовым технологиям за год снизилось на 5% и 61%, соответственно. По версии McKinsey, это может свидетельствовать как об окончании «академической» стадии развития квантовых технологий и переходу к их применению на практике, так и признаком того, что все большая часть разработок, особенно связанных со «специальными применениями» (например — криптографией) уходит в тень. И уже в относительно близком будущем квантовые системы перейдут из области «исследований и разработок» в область практического применения.

Также китайские ученые лидируют по количеству публикаций в области квантовых технологий, правда, по цитируемости они уступают американцам.

По численности специалистов по данной тематике по последним имеющимся данным (за 2020 г.) лидировал Евросоюз (135,5 тыс.). Далее шли Индия (82,1 тыс.), Китай (56,7 тыс.), США (45,1 тыс.), Россия (23,5 тыс.) и Великобритания (14,6 тыс.). При наша страна вошла в призовую тройку по количеству специалистов на миллион граждан. У нас этот показатель равен 164, выше Евросоюз (303) и Великобритания (217). Позади — США (136), Индия (58) и Китай (41).

Больше всего университетов, ведущих исследования в области квантовых технологий, в США (67), далее идут Евросоюз (39) и Великобритания (14). Также Штаты первые по числу университетов, присуждающих профильные магистерские степени (16), далее — Германия (6) и, неожиданно, Испания (5). Россия в данных категориях попала в «Остальной мир».

Всего «квантовых» магистров готовят 50 учебных заведений, в 2022 г. они выпустили 450 магистров соответствующих наук. Вакансий было гораздо больше — 717 в месяц в среднем. Поправить положение могли бы специалисты из смежных областей — химии, физики, электроники, математики и т. д. Их в год выпускается около 350 тыс. Но, похоже, пока их конверсия в специалистов «по квантам» идет недостаточно эффективно.

Квантовые технологии в России

На текущий момент показатели нашей страны (особенно по доле статей и патентов) довольно скромные, однако у страны есть дорожная карта развития «сквозной» цифровой технологии «Квантовые технологии», представленная в конце 2019 г., и она постепенно воплощается в жизнь.

Изначально бюджет программы составлял ₽51,13 млрд, включая внебюджетное финансирование в размере ₽8,781 млрд руб. Из них на квантовые вычисления выделялись ₽15,2 млрд, на квантовые коммуникации — ₽11,28 млрд, на квантовые сенсоры и метрологию — ₽7,5 млрд. Еще ₽17,15 млрд планировалось потратить на «оргмероприятия» — образовательные, просветительские, формирование отраслевых проектов и т. д.

В дальнейшем планы претерпели некоторые изменения. Так, в середине июня 2020 г. стало известно, что на «вычислительную» часть в 2020–2024 гг. потратят ₽23,66 млрд (из них ₽13,25 млрд руб. даст федеральный бюджет, остальное — внебюджетные источники, в том числе «Росатом» — ₽1,5 млрд). К «коммуникационному» проекту подключились «Российские железные дороги», выделившие на квантовые коммуникации ₽5,3 млрд, а общий бюджет этого направления составляет ₽19,5 млрд. На квантовые сенсоры будет отпущено ₽7,5 млрд.

Некоторые средства на «квантовые» разработки будут выделяться и в рамках других проектов. Так дорожная карта «Современные и перспективные сети мобильной связи» предполагает выделение средств на исследования и разработки по сопряжению квантовой и постквантовой криптографии с сигнально-кодовыми конструкциями в сетях радиодоступа 5G Advanced/6G.

Перспективы российских квантовых технологий

Формально показатели России в области квантовых исследований и разработок выглядят не очень впечатляюще. Практически по всем показателям (инвестиции, количество стартапов, статей, патентов и специалистов) мы уступаем и «большой тройке» — США, Китай, Евросоюз — и даже отдельным членам последнего, а порой и совсем неожиданным странам. Неудивительно, что например, глава IBM Арвинд Кришна открыто выразил сомнение, что Россия способна сделать прорыв в области квантовых вычислений.

Однако надо учитывать, что многие формальные показатели — всего лишь формальные показатели. Особенно это касается таких индикаторов прогресса, как количество статей «по теме» — их давно уже научились «надувать» сравнительно честными методами.

Разумеется, после начала СВО развитие квантовых технологий (как и любых других) в России затруднилось — оборвались научные связи, закупка оборудования для квантовых компьютеров для властей США идет в одном ряду с закупкой реальных боеприпасов, а организации, занимающиеся квантовыми исследованиями попадают под санкции не хуже оборонных предприятий — в сентябре 2022 г. американцы таким образом отметили «Российский квантовый центр» и совместное предприятие «Квантовые технологии». Что, как отметил генеральный директор СП Наталья Кулагина, «можно признанием на мировом уровне необходимости наших исследований»

Но прогресс не остановить. 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. Последняя, впрочем, тоже дочка «Росатома», так что с проникновеньем нашим по планете пока все нормально.

Квантовые исследования после начала СВО. Что сделано уже в новых условиях?

Несмотря на возникшие в начале 2022 г. проблемы, в том числе — с закупкой необходимого оборудования, в условиях сложной международной обстановки, остановки научных контактов и санкционного давления, российские ученые и производственники добились ряда успехов. Вот некоторые из них.

В мае 2022 г. ученые из Российского квантового центра (РКЦ) запатентовали новую архитектуру квантового процессора на основе кудитов. Она позволит увеличить мощность квантового компьютера на ионах, который был разработан в конце 2021 г. Аналогичные разработки есть только у трех государств: США, Китая и Австрии. Другое майское изобретение — новый метод создания квантовой запутанности, предложенный исследователями из МИСиС.

В июле РКЦ и МИСиС анонсировали библиотеку алгоритмов, которая позволяет создавать квантовые приложения и различные вычислительные системы для решения сложных задач, в том числе взломов шифров

В октябре компания МЦСТ продемонстрировала работу средств постквантового шифрования на своих процессорах «Эльбрус». Сочетание средств шифрование с отечественной платформой дает возможность создать отечественное решение, устойчивое к «квантовым» атакам.

В январе 2023 г. ученые из МИФИ опубликовали новый способ защиты чатов в мессенджерах — с помощью постквантовых алгоритмов для шифрования.

В феврале Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники представил учебный стенд для изучения физических принципов и протоколов квантовой криптографии, созданный при поддержке компании «ИнфоТеКС».

Надо отметить, что в этой области наконец появились первые профессиональные стандарты. С 1 марта 2023 г. действует стандарт, который совместно разработали «Российские железные дороги» совместно с АНО «Центр обеспечения цифровой трансформации» — «Специалист по монтажу и технической эксплуатации квантовых сетей».

Этими же организациями разработан и второй стандарт — «Специалист по исследованиям и разработкам в области квантовых коммуникаций». Документ утвержден Минтруда России, зарегистрирован Минюстом России и вступит в силу с 1 сентября 2023 г.

Стандарты регламентируют требования как к рынку труда в области квантовых коммуникаций, так и к сфере образования.

Также в феврале компания «Т1» анонсировала версию своего сервиса видеоконференцсвязи Dion, в котором используется квантово-устойчивый VPN, разработанный российской компанией QApp. Новая ВКС, по утверждению ее создателей, способна противостоять кибератакам с применением квантовых компьютеров.

В марте стало известно, что холдинг «Швабе» госкорпорации «Ростех» и команда ученых Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики разработали ряд новых уникальных микроструктурированных оптоволокон.

В конце первого месяца весны ученые из Российского квантового центра представили подход, который позволяет реализовывать популярные коды коррекции ошибок на квантовых процессорах, не обладающих высокими вычислительными мощностями. Полученные результаты помогут физикам снизить воздействие шумов и приблизиться к решению практических задач на системах с относительно небольшим количеством кубит.

В апреле в России был открыт удаленный доступ к отечественному квантовому компьютеру, созданному за год до этого специалистами Московского физико-технического института в Лаборатории искусственных квантовых систем.

В середине июня было объявлено, что Московский инновационный кластер и «Российские железные дороги» будут совместно развивать инфраструктуру для квантовых коммуникаций для чего на базе кластера «Ломоносов» создадут соответствующий центр технологий.

В июле «Ростелеком» и «Атлас» объявили об успешном завершении тестирования технологии квантового распределения ключей на магистральной линии связи TEA NEXT.

На пути к практике

Большинство новостей о квантовых вычислениях пока еще касаются экспериментов и научных задач, однако, Как показала дискуссия «Время первых», прошедшая в рамках конференции ЦИПР, во многих компаниях ведутся работы по практическому применению квантовых вычислений.

Так Дмитрий Фомичев, директор по математическому моделированию «Росатома», отметил, что в решаемые для госкорпорации задачи требуют все более мощных вычислительных средств. И в «Росатоме» пробуют «уже сейчас» встраивать в бета-версии продуктов компании квантовые алгоритмы для решения промышленных задач. Упор на прикладное применение дает, по его словам «максимально широкое поле деятельности». Основные направления применения квантовых вычислений в «Росатоме» сейчас — задачи по оптимизации и теплогидравлике. В дальнейшем планируется применение квантовых вычислений для расчета прочности конструкций и электромагнитных полей.

Схожие задачи, с поправкой на специфику отрасли, решают и в нефтяной промышленности, отметил заместитель начальника Управления развития информационных технологий «РН-БашНИПИнефть» Рафаил Газизов.

Пока использование квантовых вычислений — прерогатива больших, технологически продвинутых компаний и организаций. ОДнако, как было отмечено в ходе дискуссии, искусственный интеллект прошел от математических моделей до программ в смартфонах за довольно короткий срок и, вполне возможно, квантовые устройства повторят их путь уже в обозримое время.

Полный текст статьи читайте на CNews