Convergence of Innovation & Entrepreneurship

Гонка за квантовым превосходством началась

Среди кандидатов на включение в государственные стандарты — алгоритмы электронной подписи «Шиповник» и «Гиперикум». Стоит отметить, что оба решения уже имеют открытую программную реализацию. В 2023 году международная группа исследователей, включающая специалистов из Российского квантового центра и компании QRate (ООО «КуРэйт»), представила подробный анализ промышленной системы квантового распределения ключей российского производства. Была продемонстрирована защищенность системы с учетом квантовые технологии известных аппаратных угроз и других уязвимостей. Защита систем квантового машинного обучения по-прежнему остается областью активных исследований и разработок. Например, известно, что изменения квантового шума могут повлиять на процесс обучения и на надежность квантового классификатора.

Квантовый интеллект: какие задачи бизнес может поручить квантам и AI уже сейчас

С 2012 года в стране работает коммуникационная квантовая сеть, а в 2016 году Китай запустил первый в мире квантовый спутник. Компании IBM, Google, Honeywell, стартапы Rigetti и IonQ представили уже достаточно надежные квантовые системы с десятками кубит. IonQ также заявила о создании первого практико-ориентированного квантового компьютера. SoftBank через свой инвестиционный фонд Vision Fund 2 в начале июня 2021 приобрел «крупную», но не контрольную долю в IonQ.

Как песочницы помогают бизнесу противостоять кибератакам

• Одной из трудностей, препятствующих развитию рынка квантовых систем, является разработка квантовых алгоритмов для решения практических задач.
• Если рассматривать инвестиции на государственном уровне, то безоговорочным лидером является Китай, который к 2022 году вложил в разработку квантовых компьютеров и сопутствующих технологий примерно $15,3 млрд.
• «Росатом» и Сбербанк совместно занялись квантовыми технологиями, о чем они объявили 30 марта 2021 года.
• “Самый большой вызов — это вызов научный, поскольку часто то, что мы делаем, мы не знаем, как сделать. Мы шагаем в неизвестное”, — сказал научный директор Российского квантового центра Алексей Акимов.
• Что, если нас ждет еще больший прорыв, когда мы перейдем от полупроводниковых компьютеров к машинам, которые используют квантовые свойства атомов и фотонов?
• Как всегда, прогресс тормозится кадровым голодом, но, возможно, удастся переучить специалистов в области химии, физики и математики.

Все это может существенно повлиять как на развитие существующих, так и на создание принципиально новых систем защиты. Квантовые технологии становятся одной из сквозных тем нового национального проекта «Экономика данных». Помимо отдельных компаний, на новые технологии обращают внимание и крупные государственные учреждения. К примеру, Министерство энергетики США является одним из партнеров Национальной квантовой инициативы и запустило ряд междисциплинарных исследовательских программ. Квантовый компьютер может эффективно решать задачи, на которых основывается криптостойкость повсеместно используемых алгоритмов шифрования, что ставит под сомнение возможность применения большинства современных криптосхем. Например, упомянутый выше алгоритм Шора может быть использован для взлома шифров, в основу которых положены задачи сложности факторизации больших чисел (в частности, RSA).

Государственные программы финансирования

Другой вариант — создать категории доступа, при которых пользователи в зависимости от уровня доверия будут иметь доступ только к блокам определенных алгоритмов. Активно разрабатываются библиотеки и фреймворки для описания квантовых алгоритмов. Специалисты уже могут использовать разные инструменты для написания программного обеспечения, предназначенного для квантовых систем. К примеру, британский консорциум, возглавляемый Национальной физической лабораторией и компанией Riverlane, объявил о выпуске квантовой операционной системы Deltaflow.OS со слоем аппаратных абстракций, построенным на основе открытого кода. Канада является одним из мировых лидеров в области квантовых исследований и разработок, занимая первое место в мире по расходам в этой области на душу населения.

Что такое квантовые технологии?

Аналитики McKinsey называют четыре ключевые отрасли, которые в краткосрочной перспективе получат наибольшую выгоду от квантовых вычислений. Это фармацевтика, химическая промышленность, автомобилестроение и финансы. Помимо собственно квантовых вычислений, аналитики McKinsey выделяют две другие области применения квантовых технологий — квантовая связь и квантовое зондирование. В первом случае станет возможным обеспечение высочайшего уровня безопасности, а во втором — максимальной точности измерений, в том числе физических свойств. «Для нас квантовые технологии и их развитие – это, прежде всего, инструмент для достижения практических целей, создания полезных устройств.

«Росатом» заказал исследования квантовых вычислений за 7,73 млрд рублей

Кроме того, Федеральные агентства США (CISA, NSA и NIST) выпустили план миграции на постквантовую криптографию. В нем отражены советы по переходу, созданию необходимой инфраструктуры, а также требования к разработчикам алгоритмов. В первую очередь начать подготовку рекомендуется организациям критической информационной инфраструктуры. Основу развития квантовых коммуникаций закладывает дорожная карта развития направления «квантовые коммуникации» на период до 2030 года. Огромное влияние квантовые технологии окажут на отрасль телекоммуникаций.

юношей из Ингушетии пополнят ряды ВС России

Во второй половине 2023 года ученые из Российского квантового центра и компании «КуРэйт» подготовили подробное описание этапов подготовки системы квантового распределения ключей к государственной сертификации. После того как стало известно о квантовой угрозе, исследователи начали активную деятельность в области постквантовой криптографии, в том числе и в сфере стандартизации. Отчет о постквантовой криптографии, выпущенный Национальным институтом стандартов и технологий США, показал, что первые эффективные атаки на традиционные алгоритмы шифрования могут произойти уже в 2030 году. В 2022 году институт выбрал четыре алгоритма, предназначенных для противостояния атакам квантовых компьютеров, и уже в 2023-м были опубликованы проекты стандартов для трех из них.

Какие страны больше всех инвестируют в квантовые вычисления

Из этой суммы федеральный бюджет выделит 810 млн руб., внебюджетные источники – 915 млн руб. Подразумевается предоставление облачного доступа к квантовым процессорам и сопровождение решения на нем задач. Технология квантового распределения ключей уже готова к промышленному использованию, необходимы ускорение темпов адаптации технологий крупными компаниями и строительство городских сетей.

По мнению Жана-Франсуа Бобье, директора и партнера BCG, развитие квантовых вычислений продолжится. Достижения и стратегические планы крупных производителей оборудования, таких как IBM, Google, Honeywell, IonQ, PsiQuantum и других, повысили уверенность, что уже до 2030 года появится оборудование достаточно мощное, чтобы решать ключевые проблемы бизнеса и общества. Задействованные в этом компании и правительства должны подготовиться к ускоренному графику, заявил специалист.

Отличительная черта современного этапа развития квантовых технологий — возможность направленного воздействия на одиночные квантовые объекты — атомы, ионы, электроны или фотоны (это новый технологический уровень в этой сфере). Однако для достижения полезной вычислительной производительности, вероятно, понадобятся машины, состоящие из сотен тысяч кубитов. 2020 и 2021 годы стали поворотными для индустрии квантовых вычислений, пишут аналитики.

Во-вторых, необходимо значительно расширить класс квантовых алгоритмов для решения прикладных задач. Прогресс движется по каждому из направлений, поэтому на масштабе четырех-пяти лет можно ожидать первые примеры применения квантовых компьютеров для полезных задач. На создание квантового процессора на основе ионов в ловушках будет потрачено 4,29 млрд руб. Из этой суммы федеральный бюджет и внебюджетные источники выделят по 2 млрд руб.

Появляются сторонние компиляторы, которые предлагают оптимизацию при более быстром времени компиляции. Однако мы предполагаем появление вредоносных версий благонадежных компиляторов, использование которых может привести к краже квантовой схемы, ее изменению, а также к внедрению вредоносного кода. Более того, это позволит злоумышленнику получить удаленный доступ к мощностям квантовой системы вследствие заражения устройства. Технологии изготовления транзисторов и интегральных микросхем также продолжают совершенствоваться.

Кроме того, на безопасность квантовых вычислений и их результатов может повлиять низкое качество используемого оборудования. На сегодняшний день создано несколько специализированных языков квантового программирования. К ним относится, к примеру, Q#, разработанный Microsoft, а также qGCL, QMASM, Quantum Computation Language, Scaffold, Silq. Эти языки адаптированы к уникальным принципам квантовой механики, таким как суперпозиция и запутанность, и позволяют определять и выполнять квантовые схемы, операции и алгоритмы. Другой подход заключается в расширении семантики уже знакомых языков высокого уровня, таких как C или Python, с помощью синтаксиса, указывающего, что определенные циклы, переменные и арифметические вычисления должны выполняться в создаваемой квантовой среде. Квантовые языки программирования — это специализированные языки, предназначенные для описания квантовых алгоритмов с использованием высокоуровневых конструкций.

В недавнем отчете Управления по научно-технической политике Белого дома искусственный интеллект и квантовые технологии названы двумя стратегически важными инновациями для экономического роста и укрепления национальной безопасности страны. США намерены увеличить финансирование исследований и разработок в области квантовых технологий еще на 20%. На разработку квантовых процессоров на основе сверхпроводников будет потрачено 9,87 млрд руб. Из этой суммы федеральный бюджет и внебюджетные источники выделят примерно по 5 млрд руб. Мировой рынок квантовых процессоров на основе полупроводников с $30 млн в 2020 г.

Так, в 2022 году в мире было выдано 1589 патентов по направлению квантовых технологий, что на 61% меньше, чем в 2021 году. Эти тенденции могут свидетельствовать о том, что оставшиеся проблемы решить существенно сложнее [4]. В качестве общих тенденций развития квантовых технологий следует выделить такие факторы, как в целом продолжающийся рост финансирования, формирование собственной экосистемы и растущей потребности в квалифицированных кадрах. В классических вычислительных устройствах вся информация раскладывается на биты — 0 или 1, а в квантовых наименьшей единицей информации является квантовый бит (кубит), способный одновременно находиться в обоих состояниях сразу — и 0, и 1. Количество состояний, в которых находится квантовый процессор, быстро растет с увеличением числа кубитов — за счет возможности связывать их между собой. Эта особенность позволяет квантовым устройствам решать различные вычислительные задачи на порядки быстрее классических компьютеров и суперкомпьютеров.

Во-вторых, решением является постквантовая криптография — набор криптографических алгоритмов, криптоанализ которых имеет сравнимый уровень сложности для классических и квантовых компьютеров. Так появился РКЦ, и сегодня эту организацию можно назвать лидером развития квантовых технологий в стране. Здесь собраны сильнейшие отечественные специалисты в этой области, что подтверждается как количеством их публикаций в ведущих изданиях (Nature, Science, El Mundo и др.), так и показателями цитируемости этих работ. В 2018 году 20% всех российских статей по физике, опубликованных в группе самых высокорейтинговых журналов (Nature, Science, Reviews of Modern Physics), принадлежали сотрудникам РКЦ. Google и IBM конкурируют в развитии квантовых вычислений с Microsoft, Intel, Honeywell и другими крупными американскими IT-игроками. А вот в квантовых коммуникациях первенство пока что уверенно держат исследователи из Китая.