Цивилизация
Квантовые вычисления
Квантовые вычисления, одно из стратегических направлений мировой научно-технологической повестки, еще недавно казавшиеся чем-то недостижимым, сегодня — часть реальности, причем в России. Прорыв в этом направлении становится все более заметным, во многом благодаря государственной поддержке. С 2020 года в России по национальному проекту «Цифровая экономика» реализуется дорожная карта «Квантовые вычисления». Главная ее цель — обеспечение технологического лидерства и суверенитета страны в области передовых технологий.
Дорожная карта состоит из нескольких направлений: разработки квантовых компьютеров и симуляторов, квантовых алгоритмов, создания облачной платформы квантовых вычислений развития образования, популяризации науки и технологий и формирования индустриальных партнерств. Это долгосрочные инвестиции для укрепления лидерства России.
Создание 50-кубитного квантового компьютера
Одним из первых результатов реализации дорожной карты стало создание 16-кубитного ионного квантового компьютера, который в июле 2023 года в рамках Форума будущих технологий был представлен президенту России Владимиру Путину. В феврале 2024 года российские ученые продемонстрировали созданный ими 20-кубитный квантовый компьютер на ионах, а всего через полгода, с опережением графика, — уже 50-кубитный. Его создание стало важной вехой в развитии передовых российских технологий — сегодня только в шести странах мира, включая Россию, есть квантовые компьютеры с 50 и более кубитами.
По мнению Алексея Лихачева, генерального директора госкорпорации «Росатом», которая является координатором дорожной карты «Квантовые вычисления», создание 50-кубитного квантового компьютера отражает системное развитие квантовых технологий в стране. Лихачев отметил также, что Россия является одной из трех стран, обладающих квантовыми компьютерами на всех четырех приоритетных платформах — сверхпроводниках, ионах, нейтральных атомах и фотонах. Это достижение, считает руководитель «Росатома», стало возможным благодаря слаженной работе университетов и академических институтов, а также развитию собственной экспертной базы и образовательных программ.
Один из разработчиков 50-кубитного квантового компьютера, ведущий научный сотрудник группы «Прецизионные квантовые измерения» Российского квантового центра (РКЦ), научный сотрудник лаборатории «Оптика сложных квантовых систем» Физического института имени Лебедева РАН Александр Борисенко отметил, что первоначально 50 кубитов планировали получить только к концу 2024 года, однако этого результата ученым удалось достичь уже к началу осени. Это, по его словам, стало значительным прорывом, особенно если учесть, что в среднем в мире у других стран на это уходило 10–15 лет, а российские разработчики уложились в четыре года.
«Конечно, мы опирались на мировой опыт в этой области, однако и своих оригинальных решений в ходе разработки мы предложили немало. Например, мы используем кудиты для более плотного кодирования квантовой информации», — рассказал ученый «Газете.Ru».
Самый мощный ионный квантовый компьютер в мире имеет 56 кубитов, так что, по мнению Александра Борисенко, отставание у нас в количестве кубитов не такое большое.
«Что касается планов на будущее, то мы хотим не столько повышать количество кубитов, сколько улучшать качество производимых на них операций», — отметил он. На данный момент весь мир стремится к достижению квантового превосходства, а для этого, по словам эксперта, необходимо и большое количество кубитов, и высокое их качество. «Поэтому одна из наших ключевых задач — снизить количество ошибок в работе ионных кубитов, а после мы продолжим увеличивать их количество», — сообщил «Газете.Ru» Александр Борисенко.
Настоящее и будущее
Благодаря увеличению мощности квантового компьютера его применение становится возможным в самых разных сферах промышленности. Сегодня проекты по разработке квантовых алгоритмов уже реализуются в атомной, финансовой и нефтегазовой отраслях.
В августе 2024 года для создания конкурентоспособной квантовой индустрии госкорпорация «Росатом» объявила о планах к 2030 году запустить производство промышленных квантовых компьютеров в России. Стратегическая цель — внедрить квантовые вычисления в приоритетные отрасли экономики для ускорения технологического развития.
По словам руководителя сектора квантовых вычислений Центра квантовых технологий МГУ имени Ломоносова, руководителя научной группы «Атомные и оптические квантовые вычисления» РКЦ Станислава Страупе, универсальный квантовый компьютер может справиться с любой задачей.
«Наиболее перспективны задачи, где квантовое ускорение максимально, и при этом нужен не слишком большой и точный квантовый процессор. Многие считают, что это в первую очередь задачи физического моделирования квантовых систем, квантовой химии, где нужно точно считать, например, энергию системы из большого числа частиц, скажем, большой молекулы», — сообщил он «Газете.Ru».
По его мнению, наиболее эффективное решение таких задач может быть полезным на практике при разработке новых материалов с заданными свойствами, или, например, лекарственных препаратов. Также, отметил Станислав Страупе, в качестве перспективных рассматриваются задачи комбинаторной оптимизации — к этому классу относятся задачи логистики, например, поиск оптимальных маршрутов для большого числа машин в городской сети дорог или задачи оптимального планирования.
Ожидается, что к 2030 году в России будет сформирована индустрия квантовых вычислений. «Квантовые компьютеры изменят облик экономики и промышленности, станут одной из основ будущего технологического суверенитета», — рассказал «Газете.Ru» советник генерального директора госкорпорации «Росатом» и сооснователь РКЦ Руслан Юнусов. По его словам, они помогут повысить качество и продолжительность жизни людей — с их помощью мы научимся, например, точнее определять заболевания и создавать новые лекарства.
«Благодаря квантовым вычислениям то, что сегодня кажется научной фантастикой, на горизонте нескольких десятилетий станет обыденностью», — уверен Руслан Юнусов.
Постквантовая криптография
Квантовые компьютеры, имеющие огромный технологический потенциал, представляют при этом серьезную угрозу для информационной безопасности. Ведь с помощью них злоумышленники смогут взламывать существующие криптографические алгоритмы, которые сегодня обеспечивают безопасный обмен информацией. Под «квантовой угрозой» может оказаться, например, защита банковских операций или хранение данных в различных облачных сервисах.
Чтобы противостоять этим рискам, российские ученые и инженеры уже работают над развитием постквантовой криптографии — новых алгоритмов асимметричной криптографии, способных противостоять атакам как классических, так и квантовых компьютеров. С 2019 года разработкой новых государственных стандартов по постквантовой криптографии в рамках деятельности профильных подгрупп Технического комитета ТК26 Росстандарта занимаются сотрудники компании QApp и технологической и научно-исследовательской группы «Криптонит».
Доцент кафедры информационной безопасности факультета ВМК МГУ, заместитель руководителя лаборатории криптографии по научной работе компании «Криптонит» Иван Чижов рассказал «Газете.Ru», что ранее в «Криптоните» представили первую российскую постквантовую схему электронной подписи «Шиповник», которая уже получила общедоступную программную реализацию. Этот алгоритм, по его словам, устойчив к атакам квантового компьютера будущего даже с миллиардами физических кубитов. «Шиповник» защищает электронную переписку граждан от взлома хакерами и недобросовестного использования документов недоброжелателями.
Ключевым программным решением QApp является PQC SDK — библиотека постквантовых алгоритмов отечественной реализации и средства, упрощающие и ускоряющие их доставку в различные информационные системы. Среди разработок компании QApp новый отечественный постквантовый алгоритм цифровой подписи «Гиперикум», для которого также подготовлена открытая программная реализация. Генеральный директор QApp Антон Гугля отметил, что в компании создается различное промежуточное и конечное квантово-устойчивое ПО для защиты данных от кибератак настоящего и ближайшего будущего.
Развитие и внедрение технологии квантового шифрования
Директор по развитию бизнеса компании QRate Александр Приютов рассказал «Газете.Ru», что запрос на развитие квантовых технологий в нашей стране только увеличивается, поскольку информационная безопасность развивается вместе с появлением новых технологий. QRate вышла из лаборатории Российского квантового центра, сфокусировавшись на развитии продуктов в сфере систем квантового распределения ключей. С 2015 года компания развивает и внедряет технологии квантового шифрования в инфраструктуры крупнейших российских организаций. Инновационность решений, по словам Александра Приютова, базируется на возможности использования фундаментальных законов физики для обеспечения безопасной передачи цифровых данных.
По его словам, сейчас у компании три основных направления разработки: система квантового распределения ключей (КРК), научно-образовательные комплексы, позволяющие подготовить кадры в области квантовых технологий, и компонентная база КРК, востребованная научными организациями как самостоятельные продукты.
QRate уже сегодня создает инструменты, способные противостоять новым типам атак на критическую инфраструктуру. Комплексные аппаратно-программные решения для обеспечения информационной безопасности с помощью квантовых технологий разработаны на основе собственных патентов, которых у компании уже более тридцати.
Квантовые технологии в России открывают горизонты, ранее считавшиеся недостижимыми. А будущее, в котором квантовые компьютеры помогают лечить болезни, создают революционные материалы и обеспечивают высочайший уровень информационной безопасности, постепенно становится новой технологической реальностью.