Первая квантовая революция в начале XX века обеспечила человечество такими достижениями, как лазеры, транзисторы и атомная энергетика.
Вторая квантовая революция стартовала в конце прошлого века, когда ученые овладели управлением отдельными квантовыми частицами. Это открытие открыло новые горизонты для реализации множества идей.
На сегодняшний день Россия занимает ведущие позиции в сфере квантовых вычислений. Появление 50-кубитного компьютера и других разработок подтверждает, что квантовая революция в стране находится в активной стадии развития. Квантовые вычисления, считавшиеся ранее далекой перспективой, сейчас стали реальностью, особенно в России.
Основной стимул современного прорыва — поддержка государства. С 2020 года, в рамках проекта «Цифровая экономика», реализуется дорожная карта «Квантовые вычисления», цель которой заключается в укреплении технологического лидерства и суверенитета страны через передовые технологии.
Дорожная карта включает несколько направлений: разработка квантовых компьютеров и симуляторов, создание облачных платформ, квантовые алгоритмы, развитие образования и популяризация науки. Эти усилия направлены на долгосрочные инвестиции в укрепление позиций России.
Одним из первых значимых результатов дорожной карты стало создание 16-кубитного ионного квантового компьютера, который был представлен в июле 2023 года на Форуме будущих технологий президенту России Владимиру Путину.
В феврале 2024 года российские ученые представили 20-кубитный квантовый компьютер на ионах, а всего через полгода, в соответствии с графиком, разработали 50-кубитный вариант. Это достижение знаменует собой важный этап в развитии российских технологий, ведь лишь в шести странах мира, включая Россию, существуют квантовые компьютеры с 50 и более кубитами.
Генеральный директор «Росатома» Алексей Лихачев подчеркнул, что создание 50-кубитного компьютера демонстрирует системное развитие квантовых технологий в стране. Он также отметил, что Россия является одной из трех стран, владеющих квантовыми компьютерами на всех четырех ключевых платформах — сверхпроводниках, ионах, нейтральных атомах и фотонах.
По мнению Лихачева, это достижение стало возможным благодаря эффективному сотрудничеству университетов и исследовательских институтов, а также развитию экспертной базы и образовательных программ. Один из разработчиков 50-кубитного квантового компьютера, Александр Борисенко из Российского квантового центра, сообщил, что первоначально планировалось достичь этой отметки к концу 2024 года, однако ученым удалось это сделать уже к началу осени.
Такой результат является значительным прорывом, особенно в контексте того, что в других странах на это требуется в среднем 10–15 лет, тогда как российские специалисты справились за четыре года.
В ходе разработки нового квантового компьютера команда ученых опирается на международный опыт, одновременно предлагая оригинальные решения. В частности, использование кудитов позволяет более эффективно кодировать квантовую информацию.
На сегодняшний день самый мощный ионный квантовый компьютер имеет 56 кудитов, поэтому, по мнению Александра Борисенко, разрыв в количестве кубитов между Россией и мировыми лидерами не столь значителен.
Согласно планам ученых, акцент делают не на увеличение числа кубитов, а на повышение качества их операций. В настоящее время ключевой задачей является снижение количества ошибок в работе ионных кубитов. Как утверждает Борисенко, только после этого можно будет увеличивать количество кубитов. Чтобы достичь квантового превосходства, необходимо сочетание как большого количества, так и высокого качества кубитов.
Постепенно квантовые компьютеры начинают находить применение в различных отраслях, включая атомную энергетику, финансы и нефтегазовую индустрию. В августе 2024 года госкорпорация «Росатом» анонсировала планы к 2030 году запустить производство промышленных квантовых компьютеров в России.
Эта инициатива нацелена на то, чтобы внедрить квантовые вычисления в ключевые сектора экономики, что поможет ускорить технологическое развитие страны. Станислав Страупе, руководитель сектора квантовых вычислений Центра квантовых технологий МГУ, подчеркивает, что универсальный квантовый компьютер способен решать любые задачи.
Перспективные задачи, связанные с квантовым ускорением, акцентируются на работах, требующих не слишком больших и высокоточных квантовых процессоров. В первую очередь обсуждаются физическое моделирование квантовых систем и квантовая химия, где необходимо точно вычислять энергетические параметры сложных систем, например, больших молекул. Это решение могло бы способствовать разработке новых материалов и медицинских препаратов с заданными характеристиками.
Также в число перспективных задач входят комбинаторные оптимизации, которые касаются логистики, включая поиск оптимальных маршрутов для множества автомобилей в городской инфраструктуре и эффективное планирование.
Квантовые компьютеры способны значительно изменить экономику и промышленность, отмечает Руслан Юнусов, советник гендиректора госкорпорации «Росатом». Он подчеркивает, что эти технологии могут повысить общую продолжительность и качество жизни, allowing более точно диагностировать заболевания и разрабатывать новые медикаменты.
Квантовые вычисления могут трансформировать то, что сейчас воспринимается как фантастика, в повседневную реальность в течение нескольких десятилетий. Тем не менее, несмотря на их преимущества, квантовые компьютеры также представляют угрозу для информационной безопасности, что требует внимательного подхода к их внедрению.
Злоумышленники могут использовать квантовые компьютеры для взлома современного криптографического обеспечения, что ставит под угрозу безопасность банковских операций и хранение данных в облачных сервисах.
В ответ на это российские ученые активно разрабатывают постквантовую криптографию — новые алгоритмы, которые защитят информацию от атак как классических, так и квантовых компьютеров.
С 2019 года ведется работа над новыми государственными стандартами постквантовой криптографии в рамках Технического комитета ТК26 Росстандарта при участии сотрудников компании QApp и группы «Криптонит».
Доцент кафедры информационной безопасности ВМК МГУ Иван Чижов сообщил, что «Криптонит» презентовал первую в России схему постквантовой электронной подписи «Шиповник», которая уже имеет общедоступную программную реализацию.
Этот алгоритм устойчив к атакам квантовых компьютеров даже с миллиардами кубитов, обеспечивая защиту электронной переписки граждан и документов от хакеров.
Программное решение QApp, PQC SDK, представляет собой библиотеку постквантовых алгоритмов отечественной разработки, которая упрощает и ускоряет их интеграцию в информационные системы.
Компания QApp представила новую отечественную разработку — постквантовый алгоритм цифровой подписи «Гиперикум». Это решение имеет открытую программную реализацию и, по словам генерального директора Антона Гугли, служит частью более широкого набора квантово-устойчивого программного обеспечения, направленного на защиту данных от кибератак как в настоящее время, так и в будущем.
Александр Приютов, директор по развитию бизнеса компании QRate, добавил, что в России наблюдается растущий интерес к квантовым технологиям, что связано с динамичным развитием информационной безопасности в свете появления новых угроз. QRate, образованная на базе Российского квантового центра, сосредоточилась на создании систем квантового распределения ключей (КРК) и уже с 2015 года разрабатывает и внедряет технологии квантового шифрования для защиты инфраструктуры крупных российских организаций.
Приютов подчеркнул, что уникальность решений QRate основана на использовании фундаментальных законов физики, что позволяет обеспечить безопасную передачу цифровых данных. В компании выделяют три направления работы: это системы квантового распределения ключей, образовательные комплексы для подготовки специалистов в области квантовых технологий, а также компонентная база КРК, которая интересует научные учреждения как самостоятельные продукты.
Существующие разработки компании способны эффективно противостоять новым типам кибератак, ориентируясь на защиту критической инфраструктуры. Например, комплексные аппаратно-программные решения разработаны на основе более тридцати собственных патентов QRate.
Квантовые технологии в России открывают новые горизонты, ранее недоступные. Будущее, где квантовые компьютеры помогают лечить болезни, разрабатывать новые материалы и обеспечивать высокий уровень информационной безопасности, становится все более реальным.
