Занять суперпозицию

Лекарства разрабатывают и тестируют месяцами, если не годами. Как и ракетные двигатели, навигационные приложения, инвестиционные портфели — практически любые продукты или сервисы, где требуются параллельные вычисления и многофакторный анализ. Расклад изменят квантовые алгоритмы, ускорив процесс до минут. Более того, вероятно, они осилят куда более сложные задачи: продлят жизнь, предскажут мировые события и даже поведают о происхождении вселенной. Другими словами, кванты — ключ к технологической революции. Пока эта отрасль на ранней стадии развития, но ей уже занимаются правительства развитых стран и бизнес-гиганты вроде Amazon, IBM, Google и Microsoft, а эксперты предсказывают, что до популяризации осталось всего несколько лет. Этот тренд не остановит даже глобальный экономический кризис — разве что выкинет отдельные страны из гонки.

Одновременный — значит быстрый

Знаменитый закон Гордона Мура, сооснователя Intel, гласит, что каждые полтора-два года производительность ЭВМ удваивается, а сами машины становятся дешевле и компактнее. Однако это наблюдение было сделано еще в 1975 г. — а после, в 2003-м, сам Мур признал, что темпы развития технологий, включая производительность компьютеров, неизбежно упрутся в физические пределы, то есть свойства полупроводниковых материалов. Квантовые же вычисления, базирующиеся на микрочастицах вроде ионов, фотонов и атомов, от традиционных проводников не зависят, а значит, могут дать «правилу удвоения» новую жизнь.

Мощность устройств, оперирующих битами (базовая единица информации в обычных вычислениях), нарастает линейно. В случае кубитов (квантовый аналог бита) масштабирование экспоненциально — так, 8-кубитная система способна параллельно провести не 8 операций, а 2 в 8-й степени, то есть 256. Это возможно, поскольку кубиты могут существовать одновременно в двух (или больше) состояниях — это явление называется квантовым параллелизмом, или суперпозицией.

С бытовой точки зрения это непостижимый парадокс вроде «кота Шредингера». Зато на практике эффект очевиден: квантовые вычисления намного быстрее классических. К примеру, с их помощью можно за несколько часов взломать 2048-битное шифрование, которое используется в большинстве современных операций, например в оплате банковской картой в сети. Привычный ПК будет выполнять эту задачу миллионы лет или не сможет выполнить вообще.

Звучит как решение: знай себе наращивай число кубитов и находи ответы на самые сложные вопросы. Но чем больше кубитов и связей между ними, тем сложнее изолировать и без того хрупкую систему от окружающей среды, тем больше «шумов», то есть искажений.

Однозначного ответа на вопрос, когда квантовые технологии перейдут из разряда «невероятно перспективных» в «уверенно применяемые», нет. Как указывает партнер венчурного фонда Phystech Ventures Данила Шапошников, даже в продвинутых современных устройствах всего по 15–30 взаимосвязанных физических кубитов. Этого хватает, чтобы оптимизировать маршруты, финансовые портфели, некоторые промышленные процессы, то есть делать то, что умеют и стандартные компьютеры, только намного быстрее. Для значительного же прорыва — достижения квантового превосходства — придется преодолеть порог в тысячу логических, то есть устойчивых к ошибкам кубитов, каждый из которых будут поддерживать 10–100 физических кубитов.

И хотя о квантовом превосходстве в 2019 году громко заявлял Google, а через год и Научно-технический университет Китая, за рамки демонстраций подобные опыты пока что не вышли.

От «если» к «когда»

В теории квантовые машины могут создать могущественную нейросеть, смоделировать абсолютно новые материалы. Если это и станет возможным, то через пару десятков лет. В последующие же годы потенциал квантов реализуется в куда менее фантастических задачах. Так, аналитики The Boston Consulting Group (BCG) заявляют, что до 2030 года квантовые проекты смогут закрепиться в следующих направлениях:

1. Всевозможная оптимизация, то есть управление инвестициями, выстраивание логистики и т. д. К примеру, Volkswagen совместно с D-Wave и Google исследуют, как кванты помогут распределять транспортные потоки и сокращать расходы на перевозки. А самый загруженный морской порт Америки Лос-Анджелес смог удвоить эффективность погрузки и избежать простоев благодаря искусственному интеллекту и квантовому модулю D-Wave.

2. Машинное обучение и глубокий анализ данных. Особенно в том, что касается работы рекомендательных систем, предотвращения мошенничества и развития беспилотников.

3. Моделирование. Речь, например, о прогнозировании ценообразования, создании персонализированных лекарств и множестве других симуляций — так, Daimler с IBM Quantum разрабатывают квантовые батареи для электромобилей, а ExxonMobil с тем же IBM изучают, как сберечь природу с помощью квантов.

4. Криптография, взлом «киберзамков» и создание более надежных методов шифрования.

То, что специализированные компьютеры и симуляторы станут широко использоваться для бизнес-задач в ближайшие пару лет,— это факт, уверен венчурный инвестор и основатель инвесткомпании A.Partners Алексей Соловьев. Начало этому положила IBM, когда в 2018 году открыла сторонним компаниям облачный доступ к мощностям своего «двадцатикубитника». Что касается рядовых потребителей, они тоже смогут воспользоваться преимуществами квантов напрямую. Их уже применяют для шифрования пользовательских данных: в 2020 году Samsung совместно с оператором SK Telecom выпустили «невзламываемый» смартфон с квантовым генератором случайных чисел. Также, поскольку очевидна связь между квантовыми вычислениями и AI, не исключено, что с квантами будут связаны домашние «умные» помощники и прочие IoT-устройства, дополняет руководитель проектного офиса «Росатома» по квантовым технологиям Руслан Юнусов.

«Несмотря на все достижения, нам еще предстоит долгий путь, прежде чем маркетинговые пустышки обернутся реальным квантовым компонентом будничных гаджетов. Вероятно, что в обозримом будущем этого вообще не случится,— резюмирует технологический эксперт Kaspersky Product Studio Константин Кичинский.— А вот модель "квантовые вычисления как сервис" будет только укрепляться.

Кто выигрывает в «кубики»

По оценке BCG, за следующие 15–30 лет капитализация рынка квантовых вычислений достигнет от $450 млрд до $850 млрд. Исходя из размера инвестиций, большая часть придется на США, Китай и Евросоюз. «Взлететь» могут и Япония, Канада, Австралия, Сингапур, Индия, Тайвань. При всем потенциале России ее текущие отраслевые достижения не так заметны на фоне лидирующих стран. События после 24 февраля усугубят разрыв.

«В ближайшие годы "Росатом" представит первые отечественные квантовые процессоры на сверхпроводниках, ионах, атомах и фотонах,— уточняет господин Юнусов.— Однако говорить об экономическом эффекте и решении реальных задач мы сможем не ранее 2027–2030 годов. Российский бюджет на создание квантового компьютера до 2024 года — 23,6 млрд руб. Бюджеты США, ЕС и Китая на квантовые разработки давно превышают миллиарды долларов».

Мысль дополняет господин Шапошников: «СССР и Россия, в частности, внесли большой вклад в развитие квантовой науки. Даже термин "квантовый компьютер" первым предложил советский математик Юрий Манин, хотя популяризовал его американский коллега Ричард Фейнман. Сегодня, увы, мы отстаем. А в связи с последними событиями, боюсь, догнать будет сложно. Впрочем, шанс есть — за счет сильной школы, наших талантливых физиков и математиков».

К тому же, как отмечает Дмитрий Васильков, основатель и CEO проекта—резидента «Сколково» QuSolve (ранее QuScape), в скором будущем наибольшую пользу принесут не квантовые вычисления сами по себе, а классические цифровые решения с участием квантово-вдохновленных алгоритмов.

Хакинг из будущего

Квантовое превосходство повлечет не только создание лекарства от рака, исследование дальнего космоса и предсказание погоды на год вперед — возможны сливы государственных и корпоративных тайн, массовые кражи персональных данных, сопутствующие финансовые кризисы, предупреждают эксперты.

«Злоумышленники могут следовать схеме "сохраняй сейчас — взламывай потом", рассчитывая, что с зашифрованными классическим путем данными разберется квантовый компьютер. То есть в рамках десятилетия наверняка будут иметь место крупнейшие кибератаки,— рассуждает Павел Воробьев, исполнительный директор QRate.— Самый надежный способ защититься — объединить квантовую и постквантовую криптографии. Особенно это актуально для данных, жизненный цикл которых превышает пять лет». Однако по всему миру разрабатывают стандарты в области продвинутой киберзащиты, успокаивает Алексей Федоров, руководитель научной группы Российского квантового центра и основатель облачной платформы QBoard: «В частности, в России постквантовой криптографией занимается отдельный комитет, а Газпромбанк уже активно пилотирует конкретные решения».

На более глобальную проблему в работе с квантами указывает господин Кичинский: «’’Худший’’ сценарий – слом шаблонов, своеобразный когнитивный ’’апокалипсис’’. Он связан не с квантовыми вычислениями как таковыми, а с любым новым пониманием фундаментальной физики, требующим переосмысления стандартной модели».