В 2022 году в России впервые за последние 4 года упало количество поданных заявок на разработки в области квантовых технологий. Снижение составило 40 % и оно вызвано санкциями, сообщает «Коммерсант». Частично это связано с запретом на поставки оборудования в Россию, но более значимым может оказаться простой факт ухода российский «квантовых» учёных из публичного пространства, чтобы лишний раз не «светиться».

По данным аналитиков Dsight и инвестфонда «Восход», за 2022 год в России количество заявок на изобретения в области квантовых технологий — связи, датчиков и вычислений — снизилось до 16 против 28 в 2021 году. Из этих 16 заявок 12 было подано в области квантовых коммуникаций.

До 2022 года Россия занимала одно из лидирующих мест в мире по числу разработок в области квантовых технологий. Серия санкций после февраля 2022 года сместила страну на нижние позиции, выдвинув ещё дальше вперёд США и Китай. На учёных из этих стран сейчас приходится 62 % заявок на патенты в области квантовых технологий. Возглавляют эти списки исследователи из компаний Google, Microsoft, IBM и Intel (США), а также D-Wave Systems (Канада) и Origin Quantum (Китай).

Среди подавших в России заявки лидировало представительство японской компании Canon (ушла в 2022 году). Второе место занимал университет ИТМО (Санкт-Петербург), третье — российская «КуРейт» (QRate). Кроме того, квантовыми технологиями в стране занимаются Российский квантовый центр (в числе его акционеров — Газпромбанк) и ряд вузов (МФТИ, МИСиС, ВШЭ). Все они входят в созданный в 2020 году под крылом «Росатома» консорциум «Национальная квантовая лаборатория».

Государственная поддержка квантовой сферы в России включает утверждённый в 2020 году федеральный проект «Цифровые технологии» стоимостью в 23 млрд руб.

По имеющимся данным, в 2023 году российским исследователям выдано 8 патентов по квантовым технологиям, что составляет ровно половину от патентов 2022 года. Это намекает на то, что количество заявок в 2023 году окажется на уровне 2022 года. «Иностранные заявители уже ушли из России (Canon), но отечественные исследователи получают поддержку и продолжают разработки», — отмечают аналитики.

Помимо прямых запретов на поставку в Россию оборудования для квантовых исследований, например, дефицитного криогенного оборудования, специалисты связывают сокращение числа запатентованных проектов с возросшей секретностью, поскольку многие проекты связаны с госбезопасностью.

Сюда же можно отнести публичность. «В текущей обстановке публичное распространение информации может обернуться санкционными ограничениями для компаний и вузов», — сказал научный руководитель Центра компетенций НТИ «Квантовые технологии» на базе МГУ Сергей Кулик. Учёные из России продолжают участвовать в совместных проектах с европейскими и американскими учёными, но предпочитают делать это без особенной огласки. Альтернативой этому становится более тесное сотрудничество с Китаем и Индией.

Китай значительно продвинулся в разработке, патентовании и реализации квантовой связи и на академических направлениях, но по практической реализации квантовых компьютеров он плетётся в хвосте у США. Новейшая китайская квантовая платформа Wukong будет в шесть раз слабее системы IBM Quantum System Two, и ликвидировать это отставание придётся годами.

24-кубитовая система Wuyuan. Источник изображений: Origin Quantum

Как сообщило руководство китайской компании Origin Quantum Computing Technology, 72-кубитовая система Wukong — на сегодня самая мощная в Китае — проходит финальное тестирование и в июле поедет к заказчику. В феврале этого года компания призналась, что свою первую «серийную» квантовую систему она поставила неназванному клиенту ещё в 2021 году. На Западе аналогом квантовых систем Origin Quantum Computing можно считать квантовые компьютеры компании IBM. В каждом случае это законченные платформы, готовые для эксплуатации клиентами, а не конструктор «сделай сам».

Поскольку в конце прошлого года компания IBM анонсировала 433-кубитовые сверхпроводящие процессоры и системы Quantum System Two на их основе, китайский серийный компьютер номинально будет в шесть раз слабее американского. Это чисто условное сравнение, но примерно даёт понять степень отставания китайских разработчиков от их американских коллег. По мнению руководства Origin Quantum Computing, они отстают от IBM и западных разработчиков квантовых вычислительных платформ на 3–4 года. На преодоление этого отставания понадобятся годы напряжённой работы, даже не считая «бонуса» в виде санкционного давления.

Санкции видятся руководству китайского разработчика серьёзной помехой. Квантовые чипы требуют современных литографических техпроцессов и редких материалов. В частности, компания Origin Quantum Computing видит проблему в прекращении поставок в Китай оборудования японского производства для электроннолучевой литографии. Компания ищет и находит пути для ухода из-под санкций, например, она начала совместные исследовательские проекты с тайваньской компанией Powerchip Semiconductor Manufacturing, у которой СП Nexchip с властями Хэфэя, где располагается главный офис Origin Quantum Computing.

Компания PSMC — это третий по величине тайваньский чипмейкер. Самые тонкие его техпроцессы — это 55-нм, которые не подпадают под санкции США. Производства Powerchip могут выпускать сотни тысяч процессоров Origin Quantum Computing и закроют потребность компании в чипах. Это не позволит догнать техпроцессы и квантовые чипы Intel, но обеспечит развитие квантовой отрасли в Китае.

Компания Origin Quantum Computing образована в 2017 году двумя китайскими учёными и аккумулировала все передовые академические знания в области квантовых вычислений в стране. Её специалисты разрабатывают целый спектр квантовых процессоров, от сверхпроводящих до спиновых. Из всего этого многообразия что-то да выйдет. Также компания может похвастаться единственными практическими квантовыми компьютерами в Китае, которые можно назвать серийными.

В июньском докладе экспертов Банка международных расчётов (BIS, международная структура со штаб-квартирой в Базеле, Швейцария) угроза со стороны квантовых платформ обозначена главной опасностью ближайших лет. До её опасного воплощения осталось не так долго — порядка семи лет. Некоторые учреждения начали внедрять инструменты для её смягчения, но многим это ещё предстоит сделать. В России, что интересно, эта проблема не возникнет ещё сотни лет.

Источник изображения: rawpixel.com / freepik.com

Эксперты BIS ожидают, что полноценные квантовые компьютеры появятся в течение ближайших 10–15 лет. Они станут самой опасной угрозой для безопасности банковских данных по всему миру. На дешифровку зашифрованных традиционными методами данных с помощью RSA и ECC им понадобятся часы или даже минуты, на что традиционным компьютерам необходимы тысячи лет. Квантовые алгоритмы и особенно хорошо известный алгоритм Шора легко раскладывают (факторизуют) большие числа на простые множители и тем самым намного быстрее, чем на классическом компьютере, расшифровывают ключ или сообщение.

Другое дело, что для факторизации криптографически значимых (длинных) ключей требуются квантовые системы из сотен тысяч или даже из миллионов кубитов. Маловероятно, что такие квантовые платформы появятся в обозримом будущем. И здесь подстерегает другая опасность. Чувствительные данные можно записать сейчас, а вскрыть через 10 или больше лет. К банковским транзакциям этот метод неприменим, но для целого спектра информации, включая личную и гостайну, это вполне рабочий вариант. Китай, кстати, по некоторой информации уже накапливает данные для взлома в будущем.

В конце прошлого года тревожной новостью стало сообщение о возможности кратно ускорить работу алгоритма Шора. Об этом также сообщили китайские исследователи. На опытной 10-кубитовой платформе они смогли взломать 48-битный ключ RSA. Тем самым они предсказали, что использующийся сейчас массово в банковском и других секторах ключ RSA длиной 2048 бит может быть взломан системой из 372 кубитов, а это очень и очень близкое будущее.

Позже специалисты Fujitsu опровергли эти опасения, показав, что для быстрого взлома RSA-2048 всё-таки нужен квантовый компьютер с не менее чем 10 тыс. кубитов и 2,25 трлн связанных с ними вентилей (логических элементов). Это явно не завтрашний и даже послезавтрашний день, но угроза от этого мягче не станет, когда её время придёт.

Для смягчения квантовых угроз эксперты BIS призывают переходить на постквантовое шифрование (в простейшем случае — это увеличение разрядности RSA-ключей) и новое оборудование, в частности, на квантовую криптографию, которая устранит опасность перехвата чувствительной информации. К примеру, в рамках проекта «Скачок» (Project Leap) ранее была реализована передача платёжного сообщения в формате XML между Банком Франции и Немецким федеральным банком через квантово защищённую сеть VPN по протоколу IPsec, сообщается в докладе, который цитирует издание «Ведомости».

Также в BIS утверждают, что большая часть центральных банков в мире уже имеют возможности по введению постквантовых алгоритмов, хотя им требуются дополнительные оценки, чтобы понять, какие системы могут быть наиболее уязвимыми к угрозам хакерских атак с квантовых устройств. Это означает, что к 2025 году в большинстве центробанков наравне с обычными алгоритмами шифрования будут активно использоваться постквантовые алгоритмы.

Бизнес-консультант по информационной безопасности Positive Technologies Алексей Лукацкий напомнил, что на одной из прошлых конференций по кибербезопасности RSA Conference прозвучал прогноз о начале взлома обычных ключей квантовыми системами уже с 2027 года. Поэтому множество международных компаний давно и эффективно работают над алгоритмами постквантовой криптографии. Там совсем новая математика, и она рассчитана на «умное» противодействие квантовым алгоритмам взлома.

По оценкам ФСБ, на которые также ссылается специалист Positive Technologies, российские криптографические алгоритмы в обозримом будущем неподвластны квантовым компьютерам, и пройдёт как минимум сотни лет, прежде чем риски станут актуальными. В то же время самыми уязвимыми к квантовому взлому остаются алгоритмы передачи данных между операторами и ЦОД, системы электронного документооборота, информационно-аналитические системы, онлайн-банкинг и платёжные терминалы, а также инфраструктура электронных подписей.

По оценкам BCG 2022 года, вероятность осуществления хакерской атаки на финансовый институт примерно в 300 раз выше, чем на организации другого типа, а данные S&P Global говорят о том, что шансы атак растут вместе с размерами финансовой организации. Прямыми убытками чреват даже сам факт взлома без кражи данных или иных потерь, что подорвёт доверие клиентов к банковским услугам и механизмам.

Так, в марте этого года S&P провело моделирование успешной атаки на крупный европейский банк (с доходом более 1 млрд евро). В худшем случае это привело бы к прямым убыткам в размере около 7 % капитала без учёта репутационных потерь и недополученной в будущем прибыли. Что будет происходить в случае настоящей атаки, можно только догадываться. Иногда реальность в своём воплощении превосходит даже худшие воображаемые кошмары.

Разработчик квантовых компьютеров — американская компания IonQ — сообщил о первых опытах имитации мыслительной деятельности человека на квантовых схемах. Задачей эксперимента стало исследование принципиальной возможности запустить на квантовом «железе» модели познания и принятия решений человеком. Первые результаты обнадёживают, о чём компания сообщила в научной публикации.

Источник изображения: Pixabay

Исследователи напомнили, что психологи системно свыше 60 лет пытаются проникнуть в тайну познания человеком себя и окружения. Ряд аспектов указывают на то, что путь мысли человека в чём-то (а иногда очень сильно) подчиняется законам квантовой вероятности. Было бы неправильно упустить этот момент и не попытаться запустить выведенные психологами модели принятия решений на квантовых компьютерах. Если правильно подобрать компоненты, это приведёт к появлению невероятно мощных по силе инструментов для предсказаний тех или иных событий, как и создаст предпосылки для возникновения всезнающих управленческих платформ.

Вместе с международной группой учёных специалисты IonQ смогли создать квантовые схемы, регистры и гейты, которые позволили запустить имитацию мыслительной деятельности человека. Фактически в кубитах были закодированы человеческие ментальные состояния, что позволило провести с ними манипуляции и получить определённый результат. Это пока первые шаги. Но завести они могут очень далеко, и даже нельзя сказать, в хорошую или плохую сторону. Оружием может стать любой рабочий инструмент. А новый инструмент может обернуться против всего человечества разом.

«Потенциальное влияние квантовых компьютеров, способных эмулировать процессы принятия решений человеком, невозможно переоценить, поскольку такое будущее становится всё ближе к реальности, — сказал Питер Чапман (Peter Chapman), генеральный директор и президент IonQ. — Этот прорыв несёт в себе огромный потенциал для таких областей, как генеративный ИИ, позволяя создавать сложные и тонкие системы искусственного интеллекта, способные генерировать высокореалистичные и творческие результаты. Благодаря беспрецедентной вычислительной мощности квантовых вычислений, сегодняшнее исследование закладывает важнейшую основу для развития сложной сети корреляций, которая станет топливом для будущих инноваций».

Но самое интересное в том, что даже человек может мыслить по законам квантовой физики. Последние исследования показывают, что у нас у каждого в голове может быть маленький квантовый компьютер, хотя это уже другая история.

Генеральный директор IBM Арвинд Кришна (Arvind Krishna) в своём интервью ресурсу Nikkei Asian Review коснулся разных тем, но наиболее важным для отрасли можно считать его прогноз относительно перспектив развития квантовых вычислений. По его словам, уже через три–пять лет квантовым компьютерам найдётся коммерческое применение. Для этого достаточно квантовых компьютеров, предлагающих от 4000 до 10 000 кубит.

Источник изображения: IBM

Данное заявление глава IBM сделал в контексте анонса сотрудничества с Токийским университетом и Университетом Чикаго в сфере создания квантового компьютера с 100 000 кубит через десять лет. Этот проект подразумевает инвестиции со стороны IBM в сумме $100 млн. Глава компании убеждён, что в сфере квантовых вычислений партнёры по проекту смогут продвигаться шаг за шагом до тех пор, пока соответствующие системы не позволят решать проблемы, которые для обычных суперкомпьютеров слишком сложны или затратны. Возможностей квантовых компьютеров с 4000 или 10 000 кубит будет достаточно, чтобы заняться решением проблем в коммерческом сегменте рынка.

В наличии в Японии необходимых специалистов по квантовым вычислениям Арвинд Кришна не сомневается. По его словам, лишь немногие осознают, насколько далеко японские специалисты продвинулись в этой области.

Глава IBM также считает, что инициатива консорциума Rapidus по освоению производства 2-нм продукции на территории Японии к 2027 году вполне может увенчаться успехом, поскольку во всём мире сейчас немало японских инженеров, которые являются экспертами в области литографии, и реализация такого проекта позволит им вернуться в Японию и работать над передовой инициативой. «Япония является одним из немногих мест на планете, где правительство США разрешило бы нам осваивать эту очень продвинутую 2-нм технологию, поскольку между странами имеются договорённости в сфере обороны», — пояснил Кришна. По его словам, успех инициативы Rapidus позволит IBM расширить сотрудничество с японскими партнёрами в будущем.

Идеальной платформы для квантовых компьютеров пока нет. Есть неплохие кандидаты на роль кубитов, но каждый из них несёт багаж недостатков. Учёные из Нидерландов попытались создать гибридные кубиты, сочетая лучшие и нивелируя худшие их свойства, и преуспели в этом. Перспективный гибридный кубит лёгок в производстве, прост в управлении и стабилен. Правда, пока только в лаборатории и на бумаге.

Учёный держит квантовый чип пинцетом, перед установкой на плату. Источник изображения: QuTech

Исследователи уже не раз горели желанием сочетать сверхпроводящие и спиновые явления. Кубиты на основе сверхпроводников, которые используют стабильные состояния электромагнитных полей или моды, хорошо изучены и используются на практике в составе квантовых компьютеров IBM, Google и других. Такие кубиты хорошо взаимодействуют на больших расстояниях и легко управляются, хотя они относительно большие и имеют предел по скорости выполнения операций.

Спиновые кубиты на атомах или элементарных частицах малы и могут массово выпускаться даже на полупроводниковых заводах из 80-х годов прошлого века. Но такие кубиты ограничены по дальности взаимодействия и управления. Как взять одни свойства перспективных кубитов и отбросить другие? Эту задачу попытались решить учёные из QuTech — исследовательской организации, созданной Делфтским технологическим университетом и Нидерландской организацией прикладных научных исследований (TNO).

В свежей работе, опубликованной в Nature Physics, учёные рассказали о создании и успешных испытаниях гибридной спиново-сверхпровдящей платформы. «В нашем эксперименте нам удалось напрямую манипулировать спином кубита с помощью микроволнового сигнала, — сказал Арно Баргербос (Arno Bargerbos), один из авторов работы. — Мы добились очень высоких "частот Раби", что является показателем того, насколько быстро сигнал может управлять кубитом».

Можно сказать, что учёные улучшили так называемый «спиновый кубит Андреева», который строится на основе ряда квантовых эффектов, названных именем советского физика Александра Фёдоровича Андреева. В джозефсоновских контактах, где сверхпроводящий ток течёт без напряжения, существуют микроскопические электронные состояния — андреевские уровни, каждый из которых может рассматриваться как микроскопический источник эффекта Джозефсона. Они же являются родительскими состояниями майорановских мод.

Джозефсоновские переходы или контакты способны также захватывать сверхпроводящие квазичастицы со своими спинами. Тем самым появляется связь между сверхтоками и спинами. Сверхпроводящим током можно изменять направление спина, а детектирование спина может регистрировать сверхпроводящие токи.

«Наконец, — продолжает Баргербос, — мы продемонстрировали первую прямую сильную связь между спиновым кубитом и сверхпроводящим кубитом, что означает, что мы смогли заставить эти два кубита взаимодействовать контролируемым образом. Это говорит о том, что "спиновый кубит Андреева" может стать ключевым элементом для соединения квантовых процессоров, основанных на радикально различных технологиях кубитов: полупроводниковых спиновых кубитах и сверхпроводящих кубитах».