Квантовые вычисления позволят в будущем решать недоступные на данный момент задачи — от моделирования новых лекарств до управления логистикой. Россия уже вложила в квантовые технологии 24 млрд руб., что позволило эффективно конкурировать с крупнейшими мировыми игроками в данной сфере.
Открытие квантовой механики в начале XX века изменило понимание фундаментальных принципов устройства окружающего мира. Эти исследования привели к появлению лазеров, транзисторов, ядерного оружия, а впоследствии — мобильной телефонной связи и интернета. Этот период ученые называют «первой квантовой революцией». В конце XX века ученые перешли к управлению сложными квантовыми системами на уровне отдельных частиц. Это открыло эпоху «второй квантовой революции», в основе которой лежит возможность манипулировать индивидуальными квантовыми объектами.
В современных квантовых технологиях сформировалось три направления: квантовые вычисления, квантовые коммуникации (системы передачи информации с квантовым шифрованием) и квантовые сенсоры.
Квантовые компьютеры будут способны решать задачи, недоступные классическим суперкомпьютерам, поскольку их функционирование основано на использовании квантово-механических явлений. Вместо двоичных битов-транзисторов квантовые компьютеры работают с кубитами. Кубит способен одновременно находиться в нескольких состояниях — «0», «1» или их комбинации. Таков принцип суперпозиции. Другой базовый принцип — квантовая запутанность. Кубиты могут быть связаны таким образом, что изменение состояния одного из них мгновенно влияет на состояние других, даже если они находятся на расстоянии. Определив состояние одного кубита, можно автоматически получить информацию о состояниях остальных. Все это ускоряет обработку информации, в некоторых случаях в миллиарды раз и более.
Квантовые коммуникации подразумевают системы с квантовым шифрованием информации, в которых для передачи ключей используются индивидуальные квантовые частицы. Передаваемую информацию невозможно перехватить, поскольку этому препятствует сама природа явления квантовой запутанности, используемого при передаче.
Наконец, квантовые сенсоры — это устройства, которые используют эффекты квантовой механики для изучения материи. С их помощью стало возможно, например, улавливать мельчайшие изменения в гравитационных и магнитных полях, а также тончайшие изменения, происходящие в человеческом мозге. Главный прорыв состоит в том, что квантовые сенсоры позволяют проводить измерения с точностью, далеко выходящей за пределы возможностей существующих приборов.
Главной проблемой квантовой индустрии на данный момент является создание технологии, позволяющей осуществлять вычисления со столь малым числом ошибок, чтобы оно не влияло на эффективность работы системы в целом. Уже в ближайшем будущем прогнозируется появление защищенных от ошибок квантовых компьютеров, которые будут существенно эффективнее классических в решении задач с большим количеством переменных — таких, как моделирование различных сложных процессов.
Гонка за превосходством
Квантовые горизонты манят как отдельные технологические империи, так и целые государства, стремящиеся покорить вычислительные вершины. В октябре 2019 г. Google триумфально заявила о создании 53-кубитного квантового процессора Sycamore, возвестив о достижении «квантового превосходства» — заветной способности решать задачи, неприступные для классических компьютеров в обозримом будущем.
В декабре 2020 г. эстафету перехватили исследователи из научно-технического университета Китая, представив квантовый вычислитель Jiuzhang. Его скорость вычислений ошеломляла: задача, на которую у классических систем ушло бы около 2 млрд лет, решалась за считанные минуты. В мае 2024 г. китайские ученые явили миру прототип Zuchongzhi 3.0 — квантового компьютера на сверхпроводниках, обладающего 105 кубитами. Его вычислительная мощь превосходила возможности самых мощных суперкомпьютеров в квадриллион раз, а квантового компьютера Google — в миллион раз. Однако, несмотря на впечатляющие результаты, перед разработчиками стоит сложная задача — обуздать хаос ошибок, порождаемых квантовыми системами, и обеспечить стабильность вычислений.
В феврале 2025 г. Microsoft представила Majorana 1 — прототип квантового чипа, в основе которого лежит новый тип материала — топологический сверхпроводник. В сердце этой разработки — майорановские фермионы, открытые итальянским физиком Этторе Майораной в 1937 г. Эти экзотические сущности, не встречающиеся в природе в виде привычных частиц, таких как электроны или протоны, существуют лишь внутри редких материалов, охлажденных до экстремально низких температур. Кодирование информации в коллективных состояниях фермионов сулит революцию в области квантовых вычислений. Пока прототип Majorana 1 содержит всего восемь топологических кубитов, но Microsoft возлагает на него большие надежды, планируя в будущем создать чип с миллионом кубитов.
Стоит отметить, что все эти достижения — не универсальные квантовые компьютеры, готовые решать широкий спектр задач, а скорее исследовательские системы, созданные для оттачивания технологий и решения тестовых задач, не имеющих непосредственного прикладного значения. Что касается универсальных квантовых компьютеров, способных быть запрограммированными для решения экономически и практически значимых задач, то, по мнению экспертов «Росатома», лидирующую позицию на начало 2025 г. занимала 56-кубитная ионная система американской компании Quantinuum. На тот же момент крупнейший российский квантовый компьютер на ионах, разработанный учеными Физического института им. П. Н. Лебедева РАН и «Российского квантового центра», обладал мощностью в 50 кубитов.
Опрос, проведенный McKinsey осенью 2024 г. среди лидеров квантовой индустрии, показал, что 43% респондентов ожидают появления первых устойчиво работающих квантовых компьютеров лишь к 2030 г., а 29% прогнозируют еще более отдаленное будущее — к 2035 г.
Суверенный квант
Россия включилась в квантовую гонку сравнительно поздно. В 2019 г. при финансировании Фонда перспективных исследований и Министерства науки и высшего образования РФ консорциумом российских университетов (в который вошли Московский физико-технический институт, Национальный исследовательский технологический университет МИСИС, Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н. Л. Духова, Институт физики твердого тела Российской академии наук и Российский квантовый центр) был создан прототип 2-кубитной вычислительной квантовой системы на сверхпроводящих материалах.
В 2019 г. в соответствии с соглашениями, заключенными между правительством РФ и крупнейшими компаниями с госучастием, госкорпорация «Росатом» была определена ответственной за развитие в стране квантовых вычислений. РЖД было доверено направление квантовых коммуникаций, а госкорпорации «Ростех» — тематика квантовых сенсоров. В 2020 г. была утверждена дорожная карта развития в области квантовых вычислений, разработанная «Росатомом».
С 2020 по 2024 гг. в квантовые технологии в рамках федерального проекта «Цифровые технологии» национальной программы «Цифровая экономика» было инвестировано 24 млрд руб., из которых 12 млрд — «Росатомом». В 2024 г. в России, помимо 50-кубитного квантового компьютера на ионах, исследователями Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова (МГУ) и Российского квантового центра также был разработан прототип 50-кубитного квантового вычислителя на одиночных нейтральных атомах рубидия. Кроме того, были разработаны 35-кубитный фотонный квантовый процессор, его разработкой занималась научная группа МГУ, и 16-кубитный сверхпроводниковый процессор, созданием которого занимались ученые Национального исследовательского технологического университета МИСИС (НИТУ МИСИС) и Московского физико-технического института.
Результатом реализации дорожной карты по квантовым вычислениям в 2020-2024 гг. стало наращивание Россией позиций в области квантовой науки и технологий и выход страны в число лидеров в области квантовых вычислений, отмечает Екатерина Солнцева, директор по квантовым технологиям госкорпорации «Росатом». «Когда мы начинали, в ведущих странах работа по программам квантовых вычислений шла уже 7-10 лет. Мы стартовали позже других, но теперь находимся в числе лидеров: России удалось создать работающие квантовые вычислители на всех четырех приоритетных платформах — ионах, атомах, фотонах, сверхпроводниках», — говорит она.
«Такие достижения есть только у трех стран — США, Китая и России. Кроме того, мы входим в число шести стран, которые обладают квантовыми компьютерами в 50 кубитов и выше. Считаю, что у России есть потенциал стать лидером мировой гонки в области практического применения квантовых технологий. В США квантовые технологии развивают ИТ-компании и стартапы, в Европе и Азии — научно-исследовательские институты и университеты. Но все они достаточно далеки от промышленности. В России же квантовые технологии развиваются многопрофильными корпорациями. Поэтому у нас максимально близкое «расстояние» между специалистами с квантовыми компетенциями и компетенциями производственными, есть возможность «бесшовно» их совместить», — добавляет Екатерина Солнцева.
«В области квантовых вычислений с одиночными ионами и атомами и оптических квантовых вычислений Россия заметно продвинулась. Есть и уникальные разработки, например, Россия одной из первых стала применять новый тип сверхпроводящих кубитов — так называемые флаксониумы, и научная группа в НИТУ МИСИС, работающая в этом направлении, находится в числе мировых лидеров. Также в России, в Физическом институте им. П. Н. Лебедева, создан один из первых в мире квантовых компьютеров, использующих многоуровневую логику — не кубиты, а более высокоразмерные системы — кудиты. На наш взгляд, темпы прогресса в области квантовых вычислений позволяют оптимистично надеяться, что первые системы, способные приносить пользу в прикладных задачах, появятся уже в этом десятилетии», — прокомментировал Станислав Страупе, руководитель Центра квантовых технологий «Сбера».
Безграничные возможности
Квантовые компьютеры, способные осуществлять вычисления в квадриллионы раз быстрее классических суперкомпьютеров, обещают стать эпохальным прорывом, открывающим врата в новую эру технологических возможностей. Уже сейчас перед учеными и бизнесом встает насущная задача: найти адекватные и эффективные способы применения этой колоссальной вычислительной мощи.
По мнению аналитиков McKinsey, фармацевтика и медицина станут одними из приоритетных областей применения квантовых вычислений. Откроется возможность моделировать сложнейшие молекулы при разработке инновационных лекарственных препаратов. Персонализированная медицина совершит качественный скачок, позволяя врачам в кратчайшие сроки разрабатывать индивидуальные рекомендации для лечения, учитывающие уникальные особенности организма пациента и факторы, влияющие на развитие его заболевания. Квантовые вычисления также призваны сыграть ключевую роль в прогнозировании распространения эпидемий, предоставляя беспрецедентные инструменты для борьбы с глобальными угрозами здоровью.
Революционные возможности моделирования молекул и химических процессов, ставшие реальностью благодаря квантовым компьютерам, дадут мощный импульс развитию целого ряда отраслей, связанных с химической наукой. В сфере информационных технологий интеграция квантовых вычислений в промышленное программное обеспечение позволит инженерам создавать принципиально новые, более совершенные технологии, в частности, в судостроении и авиационной промышленности.
Весьма перспективным направлением является применение квантовых вычислений в транспорте и логистике. Создание оптимальных маршрутов и графиков движения позволит эффективно решать проблему пробок, а мгновенный учет стихийно возникающих заторов, например, в результате аварий, сведет к минимуму задержки в движении общественного транспорта. В логистике применение квантовых вычислений не только облегчит, но и удешевит и ускорит доставку грузов по различным маршрутам, оптимизируя глобальные цепочки поставок.
В финансовом секторе квантовые вычисления станут незаменимым инструментом для минимизации рисков и более точной оценки кредитоспособности организаций и частных лиц. В производственной сфере они помогут, например, в составлении оптимальных планов выполнения заказов и обеспечении эффективной организации труда.
Квантовые компьютеры обладают огромным потенциалом для создания принципиально новых, более совершенных алгоритмов искусственного интеллекта, способных трансформировать такие области, как компьютерное зрение, обработка больших данных и многое другое. В частности, квантовые вычисления могут значительно ускорить появление полностью автономных транспортных средств, управляемых искусственным интеллектом, открывая новую эру в транспортной отрасли.
«Очевидно, что дальнейшая трансформация технологической базы, переход от традиционных компьютеров и суперкомпьютеров к технологиям квантовых вычислений, повлечет новый виток глобальных изменений в этой сфере. Квантовые компьютеры могут значительно ускорить развитие искусственного интеллекта. Они будут способны обучать нейронные сети в сотни раз быстрее, чем это делают современные технологии», — комментирует Александр Назаров, заместитель генерального директора госкорпорации «Ростех».
Масштабные перспективы эксперты также видят в области квантовых сенсоров. «Квантовая сенсорика уже востребована, и станет еще более востребованной в калибровке стандартов для новых технологий связи и повышения точности геолокации, медицине (например, для сканирования мозга и отслеживания метаболических процессов в реальном времени), наблюдении за окружающей средой (например, для прогнозирования извержения вулканов и землетрясений)», — говорит Наталия Малеева.
«Квантовые вычисления, прежде всего, помогут в тех бизнесовых и научных задачах, где требуется производить большой объем вычислений с не очень большими данными. Это могут быть, например, сложные комбинаторные задачи, встречающиеся в области логистики и дискретной оптимизации. Есть потенциал в области химии и материаловедения — квантовые вычислители хорошо подходят для моделирования сложных квантовых систем, которое необходимо для компьютерного дизайна новых материалов и химических соединений. Что касается квантовой связи, то здесь возможно применение, в первую очередь, в области передачи особо чувствительных данных, где требуется максимальный уровень защиты», — добавляет Станислав Страупе.
«Квантовые технологии уже перестали быть только лабораторной игрушкой. Уже решены первые задачи квантовой химии, выполнены пилотные алгоритмы и решены некоторые задачи оптимизации. Глобальный рынок квантовых технологий небольшой, но хорошо развивающийся: по разным оценкам, в ближайшие 10 лет ожидается совокупный среднегодовой темп роста до 34%. По данным McKinsey, к 2035 г. мировой рынок квантовых технологий составит $28-72 млрд; квантовых коммуникаций — $11-15 млрд; квантовых детекторов — $0,5-2,7 млрд. Предполагается, что российский рынок может занять до 6% от глобального», — говорит Наталия Малеева, кандидат физико-математических наук, директор дизайн-центра квантового проектирования НИТУ МИСИС.
Если оценивать ситуацию в перспективе 10 лет, то наибольшую пользу квантовые вычисления смогут принести в финансовом секторе (например, для оптимизации финансовых портфелей), в здравоохранении (в частности, для анализа снимков или фармакологических исследований), в энергетике и жилищно-коммунальном хозяйстве (например, в решении задач оптимизации выработки и распределения электроэнергии), в автомобилестроении (для оптимизации производственных процессов и логистики).
Однако развитие квантовых технологий несет и определенные риски. Применение квантовых технологий является вызовом для традиционных систем информационной безопасности, поскольку современные системы шифрования, основанные на математических вычислениях и актуальные для современных вычислительных мощностей, перестанут быть препятствием для взлома, обращает внимание замглавы «Ростеха» Александр Назаров. «Именно поэтому, чтобы не обрушить систему безопасности в будущем, уже сейчас надо активно заниматься созданием квантовой криптографии. Главный принцип квантовой криптографии заключается в том, что любое вмешательство в процесс передачи информации сразу становится заметным. Развитие квантовой криптографии обеспечит новый уровень защиты данных в условиях растущих киберугроз», — говорит он.
Шанс для первых
В своем исследовании аналитики консалтинговой компании BCG подчеркивают ощутимые выгоды, которые открываются перед компаниями, осваивающими квантовые вычисления уже сегодня. Несмотря на то, что вычислительные возможности этих систем пока не достигли пика своего потенциала, разработчики и поставщики предлагают привлекательные финансовые условия для первопроходцев, для тех, кто готов стать первыми пилотными клиентами. Более того, сами создатели квантовых решений заинтересованы в тесном сотрудничестве с индустриальными партнерами, стремясь обучить их и интегрировать свои технологии в реальные бизнес-процессы.
Однако, когда долгожданное «квантовое превосходство» станет реальностью, и появятся первые промышленные квантовые компьютеры, демонстрирующие стабильную и надежную работу, успешные поставщики этих прорывных технологий получат уникальную возможность диктовать условия игры. Они смогут устанавливать цены и определять правила доступа к своим разработкам, включая и уровень оплаты труда востребованных квантовых специалистов.
Таким образом, у первопроходцев, в том числе и у российских компаний из различных секторов экономики, есть шанс уже сейчас войти в захватывающий мир квантов с минимальными инвестициями и первыми ощутить значительную отдачу от внедрения этих перспективных технологий.