Как кванты мир завоюют: есть ли у России шанс стать лидером новой технологической революции
Квантовые технологии считаются перспективным направлением и в научной среде, и среди мировых IT-гигантов, и на уровне правительств. Вот только мало кто понимает, в чем конкретно их перспективность, даже несмотря на то, что фрагментарно они уже применяются. Квантовые технологии будут реализованы, по разным оценкам, в следующие 5–15 лет, и Россия сегодня делает на них ставку, вступая в гонку с другими технологическими лидерами.
В погоне за квантовым превосходством
Более или менее освоенный «квантовый мир» делится на три направления: вычисления (ими занимаются квантовые компьютеры), коммуникации, сенсоры. Основная работа во всех направлениях сегодня – научная, прикладная же составляющая пока достаточно условна. Тем не менее в кванты активно вкладываются и крупнейшие мировые IT-компании (американские IBM, Google и Microsoft, китайские Alibaba и Baidu, список можно продолжать), и государства. В мае этого года консалтинговая компания McKinsey подсчитала общие объемы инвестиций в квантовые технологии за все время. Тройка лидеров довольно предсказуема: Китай ($15,3 млрд), Европейский союз ($8,4 млрд) и США ($3,7 млрд). Россия с $700 млн занимает восьмую строчку – между Индией ($1 млрд) и Израилем ($500 млн). Законы квантовой механики позволяют передавать ключ шифрования таким образом, что его незаметный взлом попросту невозможен: если кто-то посторонний попытается вмешаться, передача информации автоматически прекратится. Но у такой связи есть ограничение по дальности передачи: чем длиннее канал, тем больше «шумов» при передаче, и в какой-то момент они становятся критическими, то есть ключ попросту не сработает. Поэтому на дальних расстояниях используются ретрансляторы.
Китай делает ставку на квантовые спутники, причем первый из них, «Мо-Цзы», используется еще с 2016 года. Российские ученые в мае 2023-го с его помощью тестировали свою модель квантовой спутниковой связи. У России квантовых спутников пока нет (хотя год назад сообщалось, что в 2023-м такой спутник может быть запущен), поэтому нынешние квантовые каналы связи строятся с применением наземных ретрансляторов. Например, на линии квантовой связи между Москвой и Санкт-Петербургом, которая была запущена два года назад, используется 19 ретрансляторов: по три в каждом городе и еще 13 на трассе. А в прошлом году была обновлена дорожная карта квантовых коммуникаций в России: к 2024-му их общая протяженность должна составить 7 тыс. км, к 2030-му – свыше 15 тыс. км.
Мировой рынок квантовых коммуникаций, по подсчетам аналитиков, также будет расти. Astute Analytica оценила его объем в $420,4 млн (2022 год) и предполагает, что к 2031-му он увеличится до $1,17 млрд. Аналитики McKinsey прогнозируют, что до 2040 года объем рынка при позитивном сценарии достигнет $7 млрд. В поиске закономерности
Как и классические суперкомпьютеры, квантовые предназначены для работы с большими объемами данных. Их сильная сторона – построение моделей, а также оптимизация (классификация и кластеризация): то, с чем обычные компьютеры порой не справляются вовсе.
В физике и химии, например, КК могут моделировать и анализировать сложные химические соединения и реакции (в том числе для разработки новых лекарств). Также квантовые вычисления могут помочь оптимизировать сложный городской трафик – так в 2016 году сделала компания Volkswagen в Лиссабоне.
КК отлично справляются с поиском и выявлением закономерностей, например, в массиве статистических данных. Это свойство может быть полезно и для обучения нейросетей, то есть для развития технологии ИИ. (А машинное обучение, в свою очередь, помогает ученым стабилизировать квантовые системы и уменьшить количество «шумов» в них.) Наконец, КК – отличный дешифратор: он позволяет «взломать» практически любой не квантовый шифровальный ключ. Сенсоры для времени и мозга
Для рынка квантовых сенсоров McKinsey предрекает немного меньший объем – до $6 млрд. И это удивительно, учитывая, что область применения у сенсоров обширнее и в перспективе затронет множество практических сфер. Это прежде всего несколько направлений в медицине (диагностика заболеваний, получение высокоточных медицинских снимков и др.), навигация (в том числе в автономном транспорте и спутниках), наука, военная сфера.
Преимущество квантовых сенсоров перед «традиционными» – очень высокая чувствительность и максимальная точность измерений. «Это позволяет проводить точные измерения таких физических величин, как время, ускорение, электрический ток, магнитные поля, и даже улавливать гравитационные волны, – объясняет Александр Борисенко, – что делает квантовые сенсоры ценным, не имеющим аналогов в классической физике практическим инструментом».
Дмитрий Чермошенцев в качестве примеров квантовых сенсоров приводит NV-центры в алмазах и атомные часы. Самые точные часы были представлены пять лет назад Национальным институтом стандартов и технологий: предполагается, что их отклонение составит всего одну секунду за 10 млрд лет.
NV-центры в алмазах – сравнительно новый тип магнитометрии. Подобные сенсоры могут применяться для широкого спектра задач, но одним из наиболее перспективных направлений считается изучение мозга. Современные электроэнцефалограммы (ЭЭГ), а также МРТ- и КТ-сканеры позволяют исследовать принципы работы и активности разных отделов мозга, но квантовые магнитометрические сенсоры смогут делать это с намного большей точностью и в более короткие промежутки времени (вплоть до миллисекунд). Это позволит не только диагностировать и лечить неизлечимые на сегодняшний день заболевания мозга (включая сложные формы опухолей), но и серьезно продвинуться в развитии нейроинтерфейсов. Что, в свою очередь, будет способствовать как квантовому, так и технологическому прорыву.