От квантовых технологий ждут решений, меняющих жизнь к лучшему

От квантовых технологий ждут решений, меняющих жизнь к лучшему

Развитие квантовых технологий на сегодняшний день — это не просто научный вызов для исследователей, а стратегическое направление, определяющее технологический суверенитет государств. Не случайно бесспорные лидеры в этой сфере — США и Китай — принимают программы на государственном уровне, вкладывают в их реализацию миллиарды и привлекают к совместной работе гигантов бизнеса.

На конференции, посвящённой «квантам», в апреле 2025 года экс-глава АНО «Цифровая экономика» Сергей Плуготаренко охарактеризовал состояние отрасли в цифрах и фактах. По итогам реализации национального проекта «Экономика данных» мощность отечественного квантового компьютера достигла 50 кубитов, а протяжённость квантовых сетей составила более 7000 км. К 2030 году в рамках нацпроекта «Экономика данных и цифровая трансформация государства» эти показатели должны дойти до 300 кубитов и 15 тысяч км соответственно.

К указанному сроку объём инвестиций в разработку перспективных отечественных решений в сфере информационных технологий (квантовых и телекоммуникационных) составит 67,4 млрд рублей. Кроме того, к 2040 году российский рынок может занять долю квантовых вычислений, равную 6% от глобального. «Мы верим, что квантовые технологии станут точкой роста и в ближайшем будущем кардинально изменят все сферы жизни», — обнадеживающе заключил Плуготаренко.

Ответственной за реализацию дорожной карты «Квантовые вычисления» до 2030 года назначена госкорпорация «Росатом», а научно-техническую экспертизу будет проводить научный совет РАН. Предусмотрено финансирование в размере более 29 млрд рублей из бюджетных и внебюджетных источников, включая средства «Росатома». Помимо указанных выше целей, планируется также создать и внедрить 54 новых квантовых алгоритма (они дополнят уже имеющиеся 34), привлечь не менее 10 тысяч пользователей и проверить 100 научных гипотез по применению «квантов» в экономике, подготовить высококвалифицированных специалистов — 8300 с высшим образованием, 2600 — с углублённой подготовкой и 800 — с послевузовским образованием.

Научный руководитель центра квантовых технологий «Сбера» Станислав Страупе прокомментировал задачи дорожной карты следующим образом: «Если раньше мы ориентировались на инновации, то теперь от нас ждут конкретных продуктов. Уровень готовности технологий пока не так высок, но наша цель — довести его до уровня, когда мы сможем предлагать реальные решения, а не экспериментальные установки».

Гибридный характер вычислительных систем имеет свои плюсы

Когда видишь, какие огромные суммы инвестируются в новое научное направление, хочется иметь представление о потенциальной отдаче от них. По данным АНО «Цифровая экономика», до 2030 года совокупный среднегодовой темп роста рынка (CAGR) превысит 20%, что является значительным показателем и ведёт к потенциалу всего рынка квантовых технологий к 2035 году в размере 39,5–89,7 млрд долларов. Экономический эффект только от внедрения квантовых вычислений в 2035-м, по мнению экспертов консалтинговой компании McKinsey, составит от 900 млрд до 2 трлн долларов.

В 2024 году коллектив авторов Positive Technologies в партнёрстве с компаниями QApp, «КуБорд» и Российским квантовым центром подготовили аналитический отчёт, в котором были раскрыты все аспекты обсуждаемой нами темы. Как отметили эксперты, современные квантовые компьютеры относят к эре NISQ (noisy intermediate-scale quantum). Это устройства, в которых кубиты не являются идеальными: они сильно подвержены влиянию внешней среды и потому не могут обеспечить высокую точность вычислений. Поэтому наиболее вероятно, что в ближайшем будущем квантовые компьютеры будут использоваться в качестве сопроцессоров в гибридных системах.

Например, финские разработчики из исследовательского центра VTT и университета Аалто интегрировали самый мощный в Европе суперкомпьютер LUMI с пятикубитным квантовым процессором HELMI, придав ему тем самым небывалую производительность. Тем временем в Нидерландах компании Quix и QMware создают гибридный ЦОД, архитектура которого основана на интеграции фотонного квантового процессора с классическим суперкомпьютером.

Перспективным направлением становится предоставление квантовых вычислительных ресурсов как услуги по запросу (Quantum Computing as a Service, QCaaS). Используя облачные вычисления, компании экономят средства и повышают операционную эффективность: можно избежать первоначальных затрат на инфраструктуру и платить только за потребляемые ресурсы. К тому же для работы процессоров на сверхпроводниковых кубитах требуются низкие температуры. Согласно исследованию The Quantum Daily, мировой рынок QCaaS достигнет 26 млрд долларов к 2030 году.

Некоторые из компаний уже запустили квантовые облачные сервисы. Среди них такие гиганты, как Amazon, IBM и Microsoft. На рынке представлены и отечественные решения. К примеру, облачная платформа QBoard даёт возможность решать исследовательские и бизнес-задачи индустрий с помощью эмуляторов квантовых вычислений и библиотеки квантовых алгоритмов и ПО. Также стоит упомянуть платформы Bauman Octillion (МГТУ им. Баумана/ВНИИА) с доступом к 4–8-кубитным процессорам и QonquesterCloud, созданную сотрудниками и студентами Университета Иннополис.

Эксперты АНО «Цифровая экономика» ранее представили перспективные сценарии применения квантовых и смежных технологий в различных областях. В финансовом секторе квантовые алгоритмы оптимизации и машинного обучения имеют потенциал как в задачах прогнозирования различных событий на рынках, так и при обеспечении устойчивости и безопасности финансовой системы. Достоинства будущих телекоммуникационных сетей на новых основах сводятся к принципиальной «невзламываемости» шифрования при передаче данных и использованию «квантовой запутанности», которая теоретически позволяет создать сети моментального действия, работающие без физических задержек сигнала. В ритейле методы квантовой оптимизации наилучшим образом решают задачи управления поставками, хранения и транспортировки товаров.

Кроме того, есть квантовые сенсоры, которые пользуются всё большим спросом благодаря их беспрецедентной точности. Их применяют в автомобилестроении и транспортной отрасли для развития систем автономного вождения, в медицине и диагностике, научных исследованиях, навигации, геологии и энергетике. Как отмечает руководитель отдела исследований «Рексофт Консалтинг» Сергей Сурков, наиболее перспективные сценарии применения квантовых технологий лежат в области оптимизации, ускорения и дополнения искусственного интеллекта, квантово-химических расчётов, решения систем дифференциальных уравнений и криптоанализа. «Мы видим будущие вычислительные системы гибридными: сочетание квантовых и классических подсистем даст наилучший результат», — отметил эксперт.

Постквантовая криптография ставит на «Шиповник» и «Гиперикум»

Бурное развитие «квантов» ставит перед государственными структурами и бизнесом вопрос о выстраивании адекватной политики в сфере информационной безопасности. Злоумышленники не дремлют, и как только появятся квантовые компьютеры с 4000–5000  кубитов, они не преминут воспользоваться их потенциалом для взлома общепринятых сегодня криптосистем. Вот почему надо уже задуматься и начать принимать меры для усиления информационной безопасности с помощью постквантовой криптографии.

Как считают специалисты, алгоритм Шора, реализованный на квантовых компьютерах, способен взломать подпись на эллиптических кривых всего за 30 минут, а RSA-шифрование — за восемь часов. Компаниям рекомендуется уже сейчас планировать переход на квантово-устойчивые алгоритмы, особенно для долгосрочного хранения данных ввиду потенциальных угроз согласно принципу harvest now, decrypt later, предполагающему сбор засекреченной информации в настоящем для её расшифровки (в преступных целях) в будущем.

Постквантовые алгоритмы строятся на задачах теории целочисленных решёток, кодов исправления ошибок, хэш-функций, систем многочленов от многих переменных, изогении эллиптических кривых, теории кос и других. В своё время Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) провёл конкурс для отбора алгоритмов инкапсуляции ключа (KEM) и цифровой подписи и установил трёх финалистов. В нашей стране технический комитет по стандартизации, известный также как ТК26, с 2019 года ведёт разработку перспективных постквантовых криптографических алгоритмов для включения их в ГОСТы.

Среди кандидатов на включение в государственные стандарты — алгоритмы электронной подписи «Шиповник» и «Гиперикум». Оба решения уже имеют открытую программную реализацию. В основе квантово-устойчивого «Гиперикума» лежит отечественная криптографическая хеш-функция «Стрибог», которая была разработана в 2013 году и актуализирована в 2019-м. Алгоритм «Шиповник» основан на протоколе идентификации Штерна — немецкого ученого, заложившего основы современной квантовой механики. Оба алгоритма могут быть реализованы на языке Си.

Ещё один востребованный сегодня способ, обеспечивающий более эффективную защиту информации при её передаче и хранении, заключается в использовании системы квантового распределения ключей. Это, несомненно, является большим шагом для будущего кибербезопасности. Одна из областей, где квантовые вычисления могут быть особенно полезны, — анализ больших объёмов данных для выявления закономерностей или аномалий в системах, указывающих на проведение атаки. Исследователи сообщают, что это позволит более эффективно обнаруживать угрозы и реагировать на них в режиме реального времени, что открывает перспективы для развития рынка систем защиты совершенного иного уровня.