Экспертное заключение подготовлено по итогам сессии Форума будущих технологий «Вычисления и связь. Квантовый мир» «Квантовые компьютеры и сенсоры в промышленности: будущее уже здесь?».
Современное состояние квантовых технологий
На сегодняшний день не вызывает сомнений, что роль квантовых технологий является ключевой и стратегически важной для развития науки, техники и общества в целом. Как правило, выделяют три основных направления приложения возможностей квантовых технологий [1]:
1. Квантовые вычисления. Вычислительные устройства, реализованные на основе принципов квантовой механики, обладают потенциалом решать определенные сложные задачи гораздо быстрее, чем классические компьютеры. Это может привести к значительным прорывам в области искусственного интеллекта, криптографии, оптимизации, моделирования сложных систем, включая химическое моделирование, разработка новых веществ и материалов, а также и в других областях.
2. Квантовые коммуникации. Квантовые технологии позволяют разработать абсолютно безопасные криптографические протоколы и реализовывать защищенные и надежные системы связи, необходимые для коммуникации и передачи данных в современном информационном обществе.
3. Квантовые сенсоры и метрология. Квантовые технологии позволяют разрабатывать сверхточные и высокочувствительные датчики для измерения различных физических параметров, применения в системах навигации, медицине, промышленности, научных исследованиях и ряде других приложений.
В качестве общих тенденций развития квантовых технологий следует выделить такие факторы, как в целом продолжающийся рост финансирования, формирование собственной экосистемы и растущей потребности в квалифицированных кадрах.
По данным международной консалтинговой компании McKinsey & Company в 2022 году мировые инвестиции в стартапы в области квантовых технологий достигли своего максимального уровня и составили 2,35 млрд. долларов США. За 2021 и 2022 гг. в отрасль было вложено около 68% всех инвестиций, начиная с 2001 года, что свидетельствует об уверенности инвесторов в будущем коммерческом потенциале этих технологий [4]. При этом объем инвестиций Китая остается самым высоким в мире.
Для решения проблемы кадрового дефицита все больше учебных заведений в РФ и за рубежом включают квантовые технологии в учебные программы. Показательным является тот факт, что за последние два года утверждены профессиональные стандарты, регламентирующие требования как к рынку труда в области квантовых коммуникаций, так и к сфере образования: «Специалист по монтажу и технической эксплуатации квантовых сетей» и «Специалист по исследованиям и разработкам в области квантовых коммуникаций». Данные стандарты разработаны ОАО «РЖД» совместно с АНО «Центр обеспечения цифровой трансформации».
Наблюдаются замедления темпов развития исследований в области квантовых технологий. Так, в 2022 году в мире было выдано 1589 патентов по направлению квантовых технологий, что на 61% меньше, чем в 2021 году. Эти тенденции могут свидетельствовать о том, что оставшиеся проблемы решить существенно сложнее [4].
Наибольшего прогресса в плане практической реализации получило направление квантовых коммуникаций, в частности технология квантового распределения ключа. На данный момент в России общая протяжённость магистральной квантовой сети ОАО «РЖД» составила 1147 км, а концу этого года планируется достичь основного целевого показателя дорожной карты — 2500 км [2]. Важным фактором является утверждение документа «Концепция регулирования отрасли квантовых коммуникаций до 2030 года» и первых национальных стандартов в этой области [3].
Таким образом, если в отношении квантовых коммуникаций уже сейчас можно говорить об активном коммерческом применении, то по двум другим направлениям, несмотря на их интенсивное развитие, имеется ряд специфических особенностей практических приложений и коммерциализации.
Основные тенденции развития
Эффективность практического применения квантовых вычислений базируется на взаимоувязке четырех «стихий»: Задача — Алгоритм — Аппаратная часть — Человек.
Известно, что «квантовое преимущество» наблюдается только при решении определенных задач или выполнении определенных классов вычислений. Таким образом, согласование практических потребностей и задач с потенциальными возможностями квантовых вычислений является одной из базовых целей развития и коммерциализации технологии. Выделяют четыре отрасли, в которых квантовые вычисления могут оказать наибольший экономический эффект — автомобилестроение, химическая промышленность, финансовые услуги и медико-биологические науки [5].
Актуальным и необходимым являются развитие существующих и разработка новых квантовых алгоритмов и их адаптация для решения практических задач. Наиболее известными и значимыми квантовыми алгоритмами являются: алгоритм Шора, предназначенный для факторизации больших чисел; алгоритм Гровера для решения задачи перебора; алгоритм Залки — Визнера, позволяющий моделировать состояния квантовой системы n частиц; алгоритм Харроу — Хассидима — Ллойда, решающий систему линейных уравнений; алгоритм Амбайниса поиска в базе данных. Однако многие из существующих алгоритмов еще не были реализованы на практике из-за технических ограничений и сложности обработки квантовых состояний.
Ограниченное количество кубитов в реализованных квантовых компьютерах и фундаментальные проблемы с квантовым шумом также являются сдерживающим фактором. На данный момент параллельно развивается несколько вариантов реализации квантовых вычислителей, использующих в качестве кубитов сверхпроводники, фотоны, атомы, ионы или квантовые точки. При этом пока нет представления о том, какая технология в результате станет лидирующей при практическом применении. Несмотря на неоспоримый технологический прогресс в области квантовых вычислений до сих пор не решена, пожалуй, самая актуальная и сложная проблема: создание квантового компьютера с достаточным количеством и качеством кубитов, обеспечивающих стойкость результатов вычислений к ошибкам. В то время как количество и качество кубитов квантовых компьютеров неуклонно растут по отдельности, в тандеме это пока не происходит.
Требуемое количество кубитов, при котором достигается квантовое преимущество, зависит от типа задачи и сложности алгоритма, который выполняется на квантовом компьютере. На сессии было отмечено, что квантовые процессоры с количеством 100-200 кубит уже могут представлять интерес для решения некоторых практических задач. В тоже время для таких приложений, как квантовые симуляции сложных систем или оптимизационные задачи, может потребоваться несколько тысяч кубит.
Михаил Корольков, руководитель центра цифровых технологий ПАО «Газпром нефть», отметил важность решения проблемы реализации практических алгоритмов и наметившиеся сдвиги в этом направлении, а также целесообразности перехода от идеи квантового превосходства к квантовой полезности.
Сложность реализации и, как следствие, чрезвычайно высокая стоимость квантового компьютера требует взаимодействия государства и активного вовлечения частного бизнеса, подчеркнул Дмитрий Зауэрс, заместитель председателя правления АО «Газпромбанк» (Акционерное общество).
На сессии было отмечено, что одним из механизмов приближения квантовых технологий к разработчикам, практическим задачам и приложениям является развитие облачных сервисов.
В направлении квантовых сенсоров отмечаются потенциальные преимущества в различных областях благодаря своей уникальной способности обнаруживать и измерять физические параметры с невероятной точностью. В частности в навигации, геодезии, гравиметрии, в диагностической медицине и многих других сферах. Для практического внедрения квантовых сенсоров необходимо преодолеть ряд технических и инженерных сложностей, таких как повышение стабильности квантовых состояний, уменьшение шумов и ошибок, увеличение числа кубитов и разработка методов считывания и обработки данных.
Список источников.
1. Дорожная карта развития «сквозной» цифровой технологии «Квантовые технологии» https://digital.gov.ru/uploaded/files/07102019kvantyi.pdf
2. В России утвердили «Концепцию регулирования отрасли квантовых коммуникаций» и первые национальные стандарты в этой сфере // https://company.rzd.ru/ru/9397/page/104069?id=285725, 17.07.2023
3. Распоряжение правительства Российской Федерации от 11 июля 2023 г. № 1856-р // http://publication.pravo.gov.ru/document/0001202307170029
4. Quantum technology sees record investments, progress on talent gap // https://www.mckinsey.com/capabilities/mckinsey-digital/our-insights/quantum-technology-sees-record-investments-progress-on-talent-gap#/, 24.04.2023
5. Quantum Technology Monitor 2023 // https://www.mckinsey.com.
6. Kim Y. et al. Evidence for the utility of quantum computing before fault tolerance // Nature, Vol. 618, p. 500–505 (2023)
Экспертные аналитические заключения по итогам сессий деловой программы Форума и любые рекомендации, предоставленные экспертами и опубликованные на сайте Фонда Росконгресс являются выражением мнения данных специалистов, основанном, среди прочего, на толковании ими действующего законодательства, по поводу которого дается заключение. Указанная точка зрения может не совпадать с точкой зрения руководства и/или специалистов Фонда Росконгресс, представителей налоговых, судебных, иных контролирующих органов, а равно и с мнением третьих лиц, включая иных специалистов. Фонд Росконгресс не несет ответственности за недостоверность публикуемых данных и любые возможные убытки, понесенные лицами в результате применения публикуемых заключений и следования таким рекомендациям.
