Весной этого года в Москве собрались инженеры, разработчики, научные сотрудники с целью рассказать о монетизации квантовых технологий и прояснить, какой этап второй квантовой революции проходит мировое сообщество и Россия в том числе. Также ученые представили, как квантовые коммуникации изменят наш мир.

Что такое квантовые технологии

Квантовая технология — это технология, основанная на квантовой физике. Ей уже более 70 лет. Всем известные транзисторы, лазеры, да и вся полупроводниковая электроника разработана с применением знаний о квантовой физике. Тогда почему об этой технологии все чаще говорят в будущем времени? Таким вопросом открыл конференцию профессор физического факультета Университета Калгари, член научного совета Российского квантового центра (РКЦ), редактор журнала Optics Express Александр Львовский. И тут же прояснил его.

Сегодня мы имеем дело с технологией второй квантовой революции. С управлением сложными квантовыми системами на уровне их элементарных компонентов (квантовые компьютер, криптография, датчики). В ближайшие два года учёные разработают квантовую элементарную базу в виде лабораторного и научно-исследовательского оборудования. Их капитализация составит $650 млн в год.

Что такое квантовые коммуникации

Квантовые коммуникации (Quantum Communication — QC) — это область знаний о передаче неизвестного квантового состояния из одного местоположения (например, точка А) в другое, удаленное от первого местоположение (скажем, в точку Б). Эта задача не является тривиальной из-за теоремы о невозможности квантового клонирования состояния, которая запрещает делать это так, как делается в классической физике.

Ярослав Дубовиков, исполнительный директор Объединенной телекоммуникационной корпорации (оператор связи ОТК): «Когда квантовые коммуникации станут реальностью, они полностью перевернут наше представление о возможностях коммуникации. Это то будущее, которого мы все ждем».

Капитализация рынка квантовых технологий

Александр Львовский отметил, что в создание квантового компьютера сейчас активно вкладывают четыре компании. Google — $100 млн, Intel — $50 млн, IBM — $100 млн, AlibabaGroup — $150 млн. Первая тройка реализовала «квантовые компьютеры» (Google — 49 кубит, IBM — 16 кубит, Intel (Intel Core Quantum) — 50 кубит). Однако специалист считает, что никого из них нельзя считать победителем квантовой гонки.

«Современные кубиты быстро теряют когерентность. Не могут хранить информацию, — отметил он. — Главная задача на сегодня — создать хотя бы один логический кубит, который состоит из физических кубитов. И может хранить информацию сколь угодно долго посредством коррекции ошибок».

Данными общего рынка капитализации квантовых технологий также поделился физик-теоретик, сотрудник Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики (ИТМО) Антон Козубов:

• $845 млн — объём рынка квантовых коммуникаций в 2015 году (по данным Global Industry Analysts).
• $26 млрд — рынок квантовых вычислений в 2015-2020 годах (прогноз Market Research Media).

Коммерциализация квантовых технологий в России

Она берет свое начало с 2017 года. Тогда РКЦ при поддержке Газпромбанка, ВЭБ, Сбербанка разработал квантовый блокчейн. В нем цифровые подписи заменили протоколами попарной аутентификации на основе квантовой криптографии. А конструкция «блоков» децентрализована по всей сети.

В то же время, некоторые эксперты приводят в пример разработки компании СКОНТЕЛ еще в 2004 году. Например, двухканальную систему регистрации оптических фотонов и приёмную систему терагерцевого излучения.

Завкафедрой квантовой оптики и телекоммуникаций МИЭМ НИУ ВШЭ, профессор Григорий Гольцман считает, что работы над квантовыми технологиями в России начались еще 17 лет назад.

«Важно не только пофантазировать о будущем, но и спуститься на землю и поговорить о том, как в небольшой группе российского университета МИЭМ делают свою квантовую технологию с 2001 года».

Тогда ученые создали сверхпроводящий однофотонный детектор SSPD. Новое развитие технологии, по словам Гольцмана, началось с установки SSPD на оптический волновод. И получения квантовых оптических интегральных микросхем. Применение оптического волновода увеличило эффективность регистрации фотонов до 91% от общего количества.

«Это может стать одним из шагов для создания оптических компьютеров», — сказал он.

Развитие квантовых технологий в России

Руководитель проекта Фонда перспективных исследований (ФПИ) Алексей Заблоцкий представил дорожную карту развития технологий квантовой обработки информации в Российской Федерации. Горизонт планирования установлен на 2030 год.

Карта выделяет четыре основных направления работы:

1. Квантовые вычисления и квантовое моделирование.
2. Квантовые коммуникации и квантовая криптография.
3. Квантовые стандарты частоты.
4. Квантовые датчики.

В рамках программы «Цифровая экономика РФ», которая предусматривает развитие квантовых технологий при финансировании РОСАТОМа, ФПИ и Минобрнауки РФ, был запущен пилотный проект по развитию технологий сверхпроводниковых кубитов.

Также разработали магистральный шифратор на 10 Гб/с с квантовым каналом, соответствующим временным требованиям к квантовым криптографическим системам СКЗИ для коммерческой тайны. Проект утвердила ФСБ РФ в июне 2017 года.

Квантовые коммуникации: технологии

В этой области ученым удалось достичь гораздо больших успехов, чем в изобретении универсального квантового компьютера.

Львовский рассказал, что уже сегодня мы имеем три варианта реализации квантовой коммуникации.

1. По оптоволоконному кабелю — серверы связаны по уже существующим каналам коммуникации.
2. По открытому пространству — по оборудованию и сетям сотовых операторов.
3. Через спутниковую связь — обмен квантовым ключом шифрования с наземной станцией и орбитальным спутником.

Несомненным лидером по развитию квантовых коммуникаций является Китай. В стране работает сеть Пекин-Шанхай протяжённостью 2000 км с 32 узлами. А благодаря квантовой спутниковой станции была установлена сеть Пекин-Вена.

Системами квантовой коммуникации в России поделился Антон Козубов. В Университете ИТМО создали защищённый оптический маршрутизатор SCWQC моделированного излучения с квантовой рассылкой ключа на боковых частотах. Его внедрили в Санкт-Петербурге (квантовая сеть Университета ИТМО), Казани (коллаборация с телеком-оператором) и Самаре (коллаборация с ИТ-инфраструктурой).

Российская квантовая сеть

Помимо локальных квантовых сетей в России идет работа по созданию национальной квантовой сети. Так, коммерческий директор АО «СМАРТС» Игорь Наливайко рассказал о двух проектах компании, которые лягут в основу глобального построения национальной квантовой сети, составной части «Евразийского квантового пути».

• Проект «Создание автодорожных телекоммуникационных сетей». Он предусматривает прокладку магистральных ВОЛС в обочину автомобильных дорог протяженностью приблизительно 150 тыс. км на территории 85 субъектов РФ.

• Проект «Создание системы управления географически распределенными центрами обработки данных». Он обеспечит контроль доступа к информационным каналам, что повысит уровень информационной безопасности и решит задачи импортозамещения.

Чтобы не остаться на обочине прогресса, Россия создает Центр квантовых коммуникаций в рамках Национальной технологической инициативы (НТИ). Здесь будут сосредоточены все силы и ресурсы ведущих исследовательских центров и коммерческих компаний.

«Фактически все цифровые приборы, окружающие нас сегодня, — компьютеры, телефоны, лазеры и прочие гаджеты, — были продуктом первой квантовой революции, случившейся в середине столетия. Увы, сегодня в полупроводниковой индустрии мы сильно отстаем от мировых лидеров. Мы должны ухватиться за вторую квантовую революцию, которая уже началась», — говорит генеральный директор Российского квантового центра Руслан Юнусов.

«Центр квантовых коммуникаций будет не только решать важные научные задачи глобального уровня. Но и предоставит новые возможности для наших студентов и аспирантов. Их привлекут к работе в каждой лаборатории центра. Что поможет им войти подготовленными в завтрашний день», — подчеркивает ректор НИТУ МИСиС Алевтина Черникова.

«Условия в РФ будут способствовать возвращению отечественных ученых, которые уехали работать в зарубежные научные центры. Также мы сможем удержать в стране новых специалистов», — отметил зампред правления Газпромбанка Дмитрий Зауэрс.

В заключение, Александр Львовский сказал:

«Изменения в нашей жизни, к которым приведут квантовые коммуникации и технологии, сравнимы по масштабу революционности с теми, которые полупроводниковая электроника вызвала во второй половине XX века».

Фото: Firestock.