Квантовый компьютер преодолеет кризис электроники

Фото: phoi.ifmo.ru

Квантовые технологии постепенно становятся мэйнстримом в сфере разработки компьютеров и средств передачи информации на расстояние. Государства и корпорации вкладывают в такие программы миллиарды долларов. О том, как эта сфера развивается в мире и в России, в интервью РБК Петербург рассказал генеральный директор малого инновационного предприятия «Квантовые коммуникации» Артур Глейм. Его компания, которая в 2017 году была номинирована на премию РБК Петербург, сумела найти коммерческое применение научным разработкам в области квантовых коммуникаций.

УСКОРИТЕЛЬ НОВОГО ТИПА

— В чем вы видите перспективность квантовых технологий?

— Они добавляют принципиально новые свойства вычислительным, коммуникационным системам. Рост мощности традиционных вычислительных систем стал заметно замедляться, несмотря на огромные усилия, которые прикладываются в этом направлении. Это происходит потому, что электронные технологии приблизились к пределу своих возможностей. Достигнуты максимальные частоты передачи информации, минимальные размеры микросхем — расстояние между их элементами нельзя сделать меньше 9 нм, поскольку эта величина уже сравнима с размерами атомов, где действуют иные физические законы. Квантовые технологии не имеют такого ограничения и потому позволяют серьезно, на порядки, повысить скорость обработки информации.

— На каком этапе развития сейчас находятся квантовые технологии? Квантовый компьютер уже создан? Информация СМИ на этот счет противоречива…

— Разработкой квантового компьютера занимается несколько университетских научных центров и IT-компаний, в том числе крупных, таких как Google, IBM, Intel. Канадская компания D-Wave Systems была первой, кто несколько лет назад объявил о создании квантового компьютера. Компания даже начала его продавать, параллельно продолжая совершенствовать технологию. В 2017 году она выпустила на рынок очередную модель — 2000-кубитный квантовый компьютер D-Wave 2000Q. [см. Справку — ред.]. Российский Квантовый центр в Сколково недавно объявил о создании 51-кубитового квантового компьютера. Но это все не настоящие квантовые компьютеры, в лучшем случае прототипы.

— Согласны ли Вы с прогнозами специалистов, что полноценный квантовый компьютер появится уже лет через 5, максимум 10?

— Мировые гиганты энергично занялись этой темой, так что прорыв не за горами. Но вряд ли они управятся за 5 лет. Скорее — за 10.

— А что тормозит процесс?

— Прежде всего, необходимо добиться наиболее эффективной работы процессора на базе кубитов. Для этого надо решить ряд технологических задач. Во-первых, нужно обеспечить достаточно большое время жизни кубитов в связанном состоянии, потому что связь кубитов между собой весьма непрочна и ее нужно укреплять. Во-вторых, рабочая среда для кубитов должна быть сверхпроводящей (для таких сред получены наилучшие результаты), причем, температура рабочей среды должна быть очень низкой — доли кельвина. Обеспечить это очень непросто.

Помимо процессора, для полноценной работы компьютера необходима адекватная архитектура. В частности, квантовая память, коммуникационные каналы связи между отдельными элементами компьютера (материнской платой, памятью и т.п.).

Все эти условия еще не созданы ни одним из разработчиков, так что полноценного квантового компьютера пока не существует, а есть только прототипы.

— Какими характеристиками должен обладать квантовый компьютер, чтобы он мог решить задачу, непосильную современным компьютерам?

— Кардинально изменит отрасль компьютер с 1000 связанных кубитов. Такой процессор позволяет решать задачи, которые невозможно решать никакими существующими средствами в обозримые сроки (хотя бы за несколько лет) и за разумные финансовые затраты. В частности, такой квантовый компьютер способен разложить весь объем кодов современного интернета за срок, порядка одного года. Эта задача сейчас не по силам ни одной из современных традиционных вычислительных систем.

ЗАЩИТА УЖЕ ЕСТЬ

— Квантовые технологии используются не только в компьютерах, но и для передачи информации на расстояние. В каком состоянии это направление?

— Это направление тоже активно развивается. Технологии квантовой коммуникации можно использовать уже сейчас, потому что они пригодны для передачи классических данных между традиционными компьютерами. Их достоинство в том, что они способны обеспечивать такую защиту передаваемых данных, на которую не способны традиционные технологии.

Ряд компаний в мире активно работают в этом направлении, создали коммерческие продукты. В разных странах строятся квантовые информационные сети. На следующем этапе эти технологии должны обеспечить связь уже не только классических, но и различных квантовых систем, в том числе, элементов квантового компьютера. Такая работа уже началась, но серьезных результатов пока нет.

— Как в России развиваются разные направления квантовых технологий? Мы сильно отстали?

— Квантовые технологии активно развиваются в России: в области квантовой коммуникации действующие образцы устройств созданы и развиваются рядом коллективов: Университета ИТМО, Казанским квантовым центром (КНИТУ-КАИ), Российским квантовым центром, МГУ. Специалистами Казанского квантового центра успешно проведены эксперименты по созданию квантовой памяти. Экспериментальный образец твердотельного квантового процессора создан в МИСИСе. Разработка специализированных оптических квантовых вычислителей ведется и в Университете ИТМО. Полагаю, в ближайшее время мы увидим серьезный прорыв.

— Что удалось сделать в этой области вашей компании и каковы ближайшие планы?

— Специалисты нашей компании разработали оригинальную технологию квантовой коммуникации, основанную на новом способе передачи квантовых состояний. Эта технология использует эффекты квантовой физики для организации высокозащищенной передачи данных. По сравнению с аналогичными решениями наша технология обеспечивает более высокие параметры скорости, дальности квантовой связи (предельные расстояния между ретрансляторами превышают 200 км, что является рекордным для коммерческих систем), а также повышенную эффективность использования полосы пропускания оптических волокон (до 40% по сравнению с 2-4% для традиционных подходов).

Данные преимущества существенно расширили возможности практического применения технологии квантовой криптографии в существующих волоконно-оптических сетях, широко применяемых в настоящее время, а также сделало возможным создание магистральных линий квантовой связи. На основе нашей технологии был создан и запатентован коммерческий продукт — устройство квантовой коммуникации [систему квантовой рассылки криптографического ключа на боковых частотах модулированного излучения — ред.]. В 2014 году в Университете ИТМО был запущен сегмент городской квантовой сети. В 2017 году в Казани состоялся запуск первой в России и СНГ многоузловой квантовой сети, созданной Казанским квантовым центром КНИТУ-КАИ совместно с компанией «Квантовые коммуникации».

Технология «Квантовых коммуникаций» не имеет аналогов в России и способна конкурировать с ведущими мировыми решениями. Сейчас разрабатываются новые версии продукта с динамической сетевой маршрутизацией в многопользовательской квантовой сети для широкого круга абонентов, ведется работа над повышением скорости квантового канала и спектральной эффективности. В ближайшее время мы планируем выйти с нашей технологией на международный рынок, а также реализовать пилотный проект с телеком-оператором в Самарской области по аналогии с запущенным пилотным проектом в Казани, и создать инжиниринговый центр в Петербурге.