Когда ожидать квантового превосходства и какие изменения оно повлечет в будущем

РБКНаука

Алексей Федоров: «И дея квантовых технологий уже необратимо изменила мир»

В наши дни в разных странах активно развиваются десятки проектов, связанных с квантовыми вычислениями. Когда же ожидать полезного квантового превосходства и какие изменения оно повлечет в будущем? Об этом рассказывает физик Алексей Федоров

Алексей Федоров, научный руководитель группы «Квантовые информационные технологии» Российского квантового центра, создатель первого в мире квантового блокчейна для хранения и проверки финансовых данных

За последние десятилетия мир стремительно преобразился благодаря цифровым технологиям. Сегодня практически все аспекты жизнедеятельности общества неразрывно связаны с обработкой, передачей, хранением и защитой информации. Цифровизация проникает и в такие сферы, как, например, медицина и формирование облика «умного» индустриального производства.

Однако параллельно с развитием информационных технологий происходит еще одна революция, очевидная ученым и аналитикам, но еще далекая от своего пика, — квантовая революция.

Ограничения многих традиционных способов работы с данными можно будет преодолеть при помощи высокопроизводительных квантовых компьютеров, а надежно защитить данные помогут квантовое распределение криптографических ключей и постквантовые алгоритмы. Квантовые компьютеры сейчас динамично развиваются, их построением занимаются такие гиганты, как Google, IBM, Microsoft и Intel. Россия вошла в число стран, которые приняли долгосрочные программы развития — квантовые «дорожные карты».

Сегодня мы находимся на интересном рубеже: квантовые технологии начинают быть все ближе к практическому применению, однако на данный момент их использование не дает экономической выгоды. Увидим ли мы полезное превосходство от квантовых компьютеров в ближайшие несколько лет? По всей видимости, да. По крайней мере мы ближе к этому с каждым месяцем.

Квантовые компьютеры: от идеи до технологического превосходства

Квантовые компьютеры представляют собой класс вычислительных устройств, которые используют для обработки информации явления, характерные для отдельных квантовых систем, таких как атомы, ионы, фотоны и др. Ключевыми для квантовых вычислений являются суперпозиция — возможность квантовых систем быть «одновременно» в нескольких состояниях — и квантовая запутанность, проявляющаяся во взаимосвязи между квантовыми объектами.

Элементарными информационными единицами при работе квантового компьютера являются кубиты — квантовые «аналоги» классических битов информации. Как раз благодаря явлению квантовой суперпозиции кубиты могут быть и логическим нулем, и логической единицей одновременно (в отличие от классических битов, которые могут быть лишь в одном из этих состояний).

Идеи квантовых компьютеров появились в начале 1980-х годов в работах советского математика Юрия Манина, британского математика и физика Дэвида Дойча, а также американского физика Ричарда Фейнмана. Уже в середине 1990-х появились первые квантовые алгоритмы для работы на будущих квантовых компьютерах, которые заинтересовали бизнес. Например, оказалось, что с помощью квантовых компьютеров можно будет взламывать современные криптографические алгоритмы.

В определенных классах математических задач квантовые компьютеры могут продемонстрировать существенное превосходство над классическими технологиями. Примерами задач являются криптоаналитика, моделирование сложных систем, обработка больших данных (big data) и др. Существующие на данный момент квантовые компьютеры обладают десятками и сотнями «шумных» кубитов, что не дает возможность полностью раскрыть потенциал их использования. Однако такие компьютеры уже способны на определенных тестовых математических задачах обгонять суперкомпьютеры. Например, на решение тестовой задачи квантовому компьютеру хватает несколько часов и минут, тогда как на классическом оно заняло бы больше 45 лет. При этом уже сейчас есть возможность решать прикладные задачи небольшого масштаба, например из области химии и машинного обучения.

Ключевую роль для полезного квантового превосходства играет решение двух принципиальных задач. Во-первых, создание квантового процессора с большим количеством кубитов и низким уровнем ошибок. В одном сценарии это станет возможным благодаря прогрессу уже существующих систем, а в другом потребует поиска или разработки новых физических платформ для квантовых вычислений. Во-вторых, необходимо значительно расширить класс квантовых алгоритмов для решения прикладных задач. Прогресс движется по каждому из направлений, поэтому на масштабе четырех-пяти лет можно ожидать первые примеры применения квантовых компьютеров для полезных задач.

В качестве одного из потенциальных направлений для квантового превосходства можно рассматривать машинное обучение. Над применениями квантовых компьютеров для задач искусственного интеллекта работают ведущие научные группы по всему миру. Например, ученые из Российского квантового центра вместе с сингапурской компанией «Геро» разработали квантовый алгоритм машинного обучения для поиска новых типов лекарств, что позволило найти более 2 тыс. новых молекул с лекарственными свойствами.

Квантовая защита vs. квантовое нападение

Угроза современной криптографии возникает из-за возможности реализовать на квантовом компьютере эффективные алгоритмы для факторизации, что несет угрозу для криптографии с открытым ключом, а также ускорения поиска по неупорядоченным базам данных. Масштаб проблемы существенный: более 90% данных, передаваемых в интернете, станут открытыми при появлении квантового компьютера. Криптографические стандарты, например для электронных подписей, необходимо будет пересматривать.

Эпоха квантовых компьютеров предполагает два подхода к защите информации. Во-первых, это квантовое распределение ключей. Оно основано на кодировании информации в одиночные квантовые состояния. Во-вторых, решением является постквантовая криптография — набор криптографических алгоритмов, криптоанализ которых имеет сравнимый уровень сложности для классических и квантовых компьютеров.

Технология квантового распределения ключей уже готова к промышленному использованию, необходимы ускорение темпов адаптации технологий крупными компаниями и строительство городских сетей. Постквантовая криптография также уже готова для внедрения решений по защите широкого спектра приложений (мобильные, веб-приложения, цифровые подписи и т.д.). Прогресс в области квантовых компьютеров является очевидным драйвером для внедрения новых технологий защиты информации. Например, в США уже сейчас принят Акт квантовой кибербезопасности, регламентирующий переход на решения, устойчивые по отношению к атакам с квантовых компьютеров. В России ведется работа по стандартизации квантово-устойчивых алгоритмов. Их масштабное внедрение — это также вопрос ближайших трех-пяти лет.

«Дорожные карты» в квантовое будущее

В России основным драйвером развития квантовых технологий являются «дорожные карты», которые сейчас активно реализуются по направлениям квантовых вычислений и коммуникаций под кураторством «Росатома» и РЖД.

Результатом проектов в рамках «дорожной карты» по квантовым вычислениям в России уже стали два квантовых компьютера с 16 кубитами: один из них построен на ионной платформе, а другой — с использованием атомов. Также разработаны процессоры на сверхпроводниках и фотонах.

Проект по ионному квантовому компьютеру обладает важной особенностью. Благодаря поддержке в рамках проекта ЛИЦ и «дорожной карты» удалось реализовать кудитный квантовый процессор — новый способ построения масштабируемых квантовых компьютеров.

Следующие шаги — увеличение количества кубитов или кудитов, а также точности квантовых операций и демонстрация квантовых алгоритмов. При этом многие российские компании уже проявляют интерес к внедрению квантовых технологий.

Промышленные решения для квантового распределения ключей уже используются для построения магистральных и корпоративных квантовых сетей.

В заключение нужно сказать, что сама идея появления квантовых технологий уже необратимо изменила мир. Масштаб изменений трудно прогнозировать на сегодняшнем, уже значимом, но все еще достаточно раннем уровне развития. Вспоминая ранний этап развития полупроводниковой эры вычислений, можно задаться вопросом: хватит ли миру пяти квантовых компьютеров? Очевидно, что нет, так как уже сейчас их количество исчисляется десятками. Полезное же квантовое превосходство будет стимулировать их переход к индустриальному производству — для этого будет достаточно и одного реального кейса применения квантовых компьютеров с экономическим эффектом.

Фото: Lukas Schulze / Getty Images

Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Такси высокого полета Такси высокого полета

Как и на чем мы будем передвигаться через несколько десятилетий

РБК
Промышленным гигантам нужны ферменты Промышленным гигантам нужны ферменты

Ученые создали новую технологию получения ферментов для промышленности

Наука
Виртуальный секс Виртуальный секс

«Популярная механика» протестировала первую в мире виртуальную любовницу

Популярная механика
Глаза американских подростков пострадали от сигарет и вейпов Глаза американских подростков пострадали от сигарет и вейпов

У курильщиков чаще появлялись тяжелые офтальмологические симптомы

N+1
Егор Кривошея: «Время делать стратегические ставки» Егор Кривошея: «Время делать стратегические ставки»

Как со временем трансформируется сфера платежей

РБК
Создатель андроида Fedor: «Робот станет ассистентом» Создатель андроида Fedor: «Робот станет ассистентом»

Какие технологические прорывы нас ждут в области робототехники?

ФедералПресс
Александр Чулок: «Ключевым показателем общества станет уровень счастья человека» Александр Чулок: «Ключевым показателем общества станет уровень счастья человека»

Что ждет человечество в 2050 году и какие тренды уже сейчас влияют на общество?

РБК
Михаил Евланов: «Актерская профессия трогательная, толстокожим в ней нет места» Михаил Евланов: «Актерская профессия трогательная, толстокожим в ней нет места»

Я искал себя всюду и везде. Когда я работал на заводе, мне приснился вещий сон

Коллекция. Караван историй
Автобудущее Автобудущее

Мы находимся на пороге одних из самых быстрых перемен в работе транспорта

Популярная механика
Левински Левински

Тель-авивский рынок Левински — гастро-жемчужина Израиля

Seasons of life
Средство от хаоса Средство от хаоса

Пора переосмыслить цели и само понятие технического прогресса

Деньги
«Депп против Херд»: как соцсети стали главным судьей в деле двух голливудских актеров «Депп против Херд»: как соцсети стали главным судьей в деле двух голливудских актеров

Почему публичное разбирательство двух звезд превратилось в культурный феномен

Forbes
Ушёл в историю Ушёл в историю

Почему в России никогда не будет второго Горбачёва и второй перестройки

Дилетант
Сила и мысли Сила и мысли

Чувство мышцы помогает ее растить. Однако есть нюансы

Men Today
«Ничего не успеваю»: что такое синдром «белого кролика» «Ничего не успеваю»: что такое синдром «белого кролика»

Почему вам постоянно не хватает времени?

Psychologies
Как в оранжерее Как в оранжерее

Лучшая гарантия здорового роста комнатных растений – своевременный уход

Лиза
Андрей Соколов: «О женщинах надо... молчать. Вот самая правильная позиция» Андрей Соколов: «О женщинах надо... молчать. Вот самая правильная позиция»

«От любви глупеют. Наступает эйфория! Но это опасно»

Караван историй
Перспективы туризма на Чукотке: маршруты, мифы и природа Перспективы туризма на Чукотке: маршруты, мифы и природа

Чукотка активно развивает сферу туризма и восстанавливает турпоток

ФедералПресс
Что произойдет с вашим телом, если отказаться от молока: поразительно! Что произойдет с вашим телом, если отказаться от молока: поразительно!

Исключение молока из рациона может иметь интересные последствия для организма

ТехИнсайдер
Обвисшая грудь у мужчин: что это значит и как убрать? Обвисшая грудь у мужчин: что это значит и как убрать?

Разбираемся, почему у мужчин отвисает грудь и как с этим бороться

Maxim
Марвин Марвин

Правила жизни параноидального андроида Марвина

Правила жизни
Не такие, как мы Не такие, как мы

Странные привычки китайцев, которые тебя удивят

Лиза
Лариса Малькова: «Искусственный интеллект можно сравнить с энергией атома» Лариса Малькова: «Искусственный интеллект можно сравнить с энергией атома»

Где еще заявит о себе искусственный интеллект и как он повлияет на рынок труда

РБК
Главные фильмы Венеции-2023: экстраординарный Лантимос, новая Коппола и фильмы про киллеров Главные фильмы Венеции-2023: экстраординарный Лантимос, новая Коппола и фильмы про киллеров

На какие фильмы 80-ого кинофестиваля в Венеции следует обратить внимание?

Правила жизни
Будущее вопросительно Будущее вопросительно

Алексей Андреев стоял у истоков русскоязычного сегмента интернета

Правила жизни
Рестораны Рестораны

Главные герои московской гастрономической сцены

Robb Report
Марс — крестьянам, роботов — рабочим! Марс — крестьянам, роботов — рабочим!

«Кибердеревня»: березапанковская Россия будущего

Weekend
Законное преступление: Как зарабатывают миллионы на фотографиях в интернете Законное преступление: Как зарабатывают миллионы на фотографиях в интернете

В России набирает обороты новая схема заработка на фотографиях в интернете

ФедералПресс
Подделкам сгоняют рыбий жир Подделкам сгоняют рыбий жир

Чем опасен нелегальный рынок БАДов и как его побороть

Деньги
Дмитрий Крутов: «Карьерный путь человека будет максимально релевантным его способностям» Дмитрий Крутов: «Карьерный путь человека будет максимально релевантным его способностям»

Как изменится обучение в будущем

РБК
Открыть в приложении