Цивилизация
— Какими исследованиями вы сейчас занимаетесь с МИСиС?
— Мы занимаемся направлением, которое называется «Квантовые информационные технологии» — это стык квантовой физики и теоретической информатики. С одной стороны, мы используем методы теории информации, чтобы понять, что такое сложные квантовые системы, а с другой — исследуем, как квантовые эффекты могут применяться для задач обработки, хранения, передачи и защиты информации. Это направление мы развиваем в сотрудничестве с Российским квантовым центром. Сейчас в рамках программы «Приоритет 2030» в МИСиС мы планируем исследовать новые рубежи этого научного направления. Это направление синергично уже существующим направлениям НИТУ «МИСиС», которые развиваются в лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» и Центре НТИ «Квантовые коммуникации.
Алексей Федоров
Александр Рюмин/ТАСС— Новые рубежи — это какие?
— Одна из задач — управление сложными квантовыми системами. Дело в том, что когда мы работаем с какой-то физической системой, мы хотим добиться требуемого поведения, перехода из одного состояния в другое нужным нам образом.
Оказывается, что методы оптимального управления в применении к квантовым системам достаточно сложны, поэтому необходимо искать новые подходы.
Сейчас мы решаем определенные задачи, связанные с этим направлением. Например, некоторое время назад мы разработали библиотеку квантовых алгоритмов для ускорения определенных типов операций.
— В чем сложность создания квантового компьютера?
— Квантовый компьютер — это некоторая уникальная фаза материи, которая сочетает в себе два традиционно несочетаемых качества: масштабируемость и высокоточный контроль на уровне индивидуальных частиц. В природе системы обычно либо хорошо масштабируются, либо хорошо контролируются.
Мы сегодня продолжаем находиться в поиске идеальной физической платформы для квантовых компьютеров, поэтому разные способы реализации конкурируют между собой.
В России и в мире основными считаются четыре платформы: сверхпроводники, нейтральные атомы, фотоны и ионы.
Также есть перспективные направления. Все эти направления развиваются в рамках дорожной карты по квантовым вычислениям, за которую отвечает Росатом.
Второй большой вызов — это поиск полезных приложений для квантового компьютера и квантовых алгоритмов. Мы уже знаем множество способов использования квантовых компьютеров для решения прикладных задач, однако многое еще предстоит узнать.
— Какие прикладные задачи может решать квантовый компьютер?
— Первый класс задач — факторизация и дискретное логарифмирование — это задачи, связанные с криптоанализом алгоритмов. Несмотря на то, что такие алгоритмы пока нельзя реализовать для практических задач, они уже сейчас указывают на необходимость перехода к новым криптографическим решениям, например, квантовому распределению ключей или постквантовой криптографии.
Второй класс — это все, что связано с моделированием сложных квантовых систем.
Особенно это касается таких областей, как фармакология — для того, чтобы понимать лекарственные свойства этих молекул, нужно точно знать их параметры.
Это поиск новых топливных элементов — то есть, каких-то соединений, которые могут потенциально использоваться как топливо. Поиск новых типов аккумуляторных батарей — поиск новых типов материалов для решения задач материаловедения.
Ультимативно, например, можно было бы найти сверхпроводник при комнатной температуре. То есть найти соединение, которое бы позволяло проводить электрическую энергию без потерь при комнатной температуре. Пока нам известны те, которые работают либо при очень низкой температуре, либо, например, при большом давлении. А вот такую систему, которая бы могла это делать при комнатной температуре и в комнатных условиях, еще предстоит найти.
Третий класс задач – это задачи оптимизации. Это все, что связано, например, с составлением расписаний, поиском оптимальных инвестиционных портфелей, оптимальных маршрутов, последовательности производственных процессов, и многого, с чем мы сталкиваемся в нашей повседневной жизни.
Четвертый класс — задачи, связанные с машинным обучением, с ускорением алгоритмов обработки данных, с решением систем линейных уравнений и так далее.
Классические компьютеры создавались для того, чтобы рассчитывать траектории полета ракет в космос, но никто не думал, что мы будем использовать их для других задач, например, многомиллиардной индустрии игр. Вот с квантовыми компьютерами есть нечто схожее.
Мы знаем определенные полезные применения, но вполне возможно, устройства будут использоваться совсем для другого.
— В России есть несколько квантовых компьютеров, но квантового превосходства мы еще не достигли?
— Квантовое превосходство в России еще не было продемонстрировано. Однако и в мире сейчас есть вопросы к тем демонстрациям, которые уже были показаны.
Квантовое превосходство — это возможность квантового компьютера решить какую-то задачу значительно быстрее, чем классический.
Было проведено несколько демонстраций, однако после были найдены классические алгоритмы, которые решали предлагаемую задачу с той же эффективностью. Поэтому мир сейчас находится на пороге квантового превосходства, но существенно за этот рубеж еще не перешел. В России нам еще предстоит придумать эксперимент и показать решение какой-либо задачи, на которой квантовый компьютер окажется полезнее классического.
— А есть у вас какие-то предположения, как можно будет продемонстрировать это квантовое превосходство?
— Есть несколько путей. Первый — просто реализовать то, что в мире уже показали. Это так называемые задачи сэмплирования. Однако как показывает практика, классические алгоритмы с такими задачами тоже неплохо справляются.
Второй путь — найти полезную прикладную задачу для квантового компьютера. Но для решения потребуются более существенные технологические ресурсы, чем те, которые есть на данный момент и в России, и в мире. Поэтому одно из направлений, по которому мы работаем — поиск полезных приложений квантовых компьютеров, которые не требовали бы от них колоссальных ресурсов.
— Насколько сильно Россия отстает от Китая и стран Запада в области квантовых технологий?
— Квантовые технологии — это составная индустрия, которая включает в себя и квантовые вычисления, и квантовые коммуникации, и квантовые сенсоры. По каждому направлению отставание различается. Например, по квантовым коммуникациям его практически нет.
В среднем, думаю, оно составляет 7-10 лет, и наша цель сократить это отставание до 2-5 лет (в зависимости от направления) до 2024 года.
Эта работа планомерно ведется. При динамичной, слаженной работе у нас есть реальные шансы на достижение поставленной задачи.
— А почему у России вообще возникают сложности в развитии некоторых областей квантовых технологий?
— Первый ответ — люди. То есть, сложности связаны с общим количеством ученых, занимающихся этим направлением на мировом уровне. Есть большая группа ученых, которые уехали в 90-е годы. При этом многими из тогда уехавших российских ученых и обеспечен тот прорыв в мире, который на сегодняшний день есть в этой сфере.
Если вы откроете статьи по квантовым технологиям в лучших международных журналах, редко какая обойдется без русской фамилии.
К сожалению, возник некоторый провал поколений, который только сейчас, последние 5-7 лет, начал компенсироваться большим количеством активных молодых исследователей.
Вторая существенная история, что это направление очень технологически емкое. То есть, нужно много технологий. Редко какие страны обладают полным комплектом этих технологий. Обычно для этого происходит какая-то эффективная коллаборация между разными странами.
— Вы же занимались разработкой квантового блокчейна. Можете про него рассказать?
— Что вообще такое блокчейн? Это технология распределенного реестра, характерной особенностью которого является отсутствие выделенного центрального узла, принимающего все решения. Это огромное преимущество, поскольку мы можем не доверять какому-то единому центру, то есть находиться в условиях недоверия, и при этом сеть будет функционировать.
Для того, чтобы это было реализовано, блокчейну необходимы определенные криптографические технологии. Одна из них — электронная подпись. Ее очень легко проверить на подлинность, но очень сложно подделать.
Но, как было доказано, с увеличением мощности квантового компьютера часть криптографических алгоритмов перестает быть устойчивой — в том числе текущее поколение электронных подписей, которое широко используется в различных приложениях.
Мы задались вопросом — а можно ли построить блокчейн, который был бы устойчив к атакам с применением квантовых компьютеров? Оказалось, что возможно — так сформировалась концепция квантового блокчейна. Для его создания требуется множество устройств, связанных между собой, которые могли бы идентифицировать друг друга по некоторому стойкому квантовому аналогу цифровой подписи и достигать консенсуса за счет определенного алгоритма.
Важно отметить, что мы одни из первых указали на недостатки традиционных блокчейнов по отношению к квантовым компьютерам, теоретически предложили протокол, а после экспериментально его реализовали. Внедрение технологии непосредственно зависит от того, когда сети квантовой криптографии станут массовыми.
— А вообще можно ли взломать квантовый шифр?
— Теоретически квантовое распределение ключей является стойким и невзламываемым. Однако, когда мы начинаем воплощать в жизнь эту замечательную модель, то возникают возможности для уязвимости. Здесь ведется постоянная работа квантовых белых хакеров, которые пытаются взломать устройства, реализующие протоколы квантового распределения ключей, а также ученых и инженеров, которые ищут способы защиты от атак.
Есть интересный пример. Ключевой протокол, используемый в квантовой криптографии, был придуман в 1983-1984 Беннеттом и Брассаром. В начале 1990-х они вместе с коллегами впервые провели экспериментальную демонстрацию технологии.
Занимательным обстоятельством стало то, что такую установку можно было взломать, не внедряясь в квантовый канал передачи, а просто стоя в соседней комнате и прислушиваясь к тому, как работает один из приборов, кодирующих квантовое состояние.
Оказывается, он издавал разные звуки в зависимости от способа кодирования.
— Как вы представляете ближайшие десятилетия в квантовых технологиях?
— Мы, безусловно, увидим рост мощности квантовых компьютеров и найдем новые приложения для них. Мы найдем ответ на то, как будут развиваться различные физические платформы. Есть такие варианты, что возникнет одна платформа-лидер, или разные квантовые платформы будут ориентироваться на решение разных классов задач. Я скорее за второй вариант.
Я думаю, мы в ближайшие 10 лет увидим рыночные приложения квантовых технологий — то есть, те, которые будут обладать определенным экономическим эффектом, и компании начнут это использовать полноценно, а не только для исследований.
Также будут развиваться и строиться сети квантовых коммуникаций, внедряться во все большее количество приложений, требующих устойчивой и долгосрочной защиты данных.
Конечно, будут активно развиваться и квантовые сенсоры. Например, уже сегодня в России есть успешные проекты по ионным часам, в лабораториях ФИАН им. П.Н. Лебедева и Российского квантового центра. Такие проекты активно развиваются в мире. Будут совершенствоваться и другие типы квантовых сенсоров.
— Для чего они будут использоваться?
— Например, для медицинской диагностики. Уже есть несколько предложений по квантовым сенсорам на основе искусственных атомов для измерения параметров различных биологических систем, их температуры и электромагнитных полей. В России также есть такие проекты, в том числе, на основе уникальных материалов. Я думаю, что в масштабе 10 лет мы можем перейти от экспериментов к каким-либо промышленным внедрениям.