В России предлагается выделить 51 млрд руб. на развитие квантовых вычислений. В данной сфере наибольшими коммерческими перспективами обладает направление квантовых коммуникаций, в то время как для государства стратегическую значимость представляет другое направление – квантовые вычисления.
Первая и вторая квантовые революции
В распоряжении CNews оказался проект дорожной карты развития квантовых технологий, подготовленный Московским институтом стали и сплавов (МИСиС) в рамках реализации мероприятий федерального проекта «Цифровые технологии» национальной программы «Цифровая экономика».
Как отмечают авторы документа, первая квантовая революция произошла во второй половине XX века и привела к появлению лазеров, транзисторов, ядерного оружия, а впоследствии – мобильной телефонной связи и интернета. Технологии первой квантовой революции применяются в компьютерах, мобильных телефонах, планшетах, цифровых камерах, системах связи, светодиодных лампах, МРТ-сканерах, сканирующих туннельных микроскопах и т.д.
Объем рынка соответствующей продукции в мире составляет $3 трлн в год. При этом «закон Мура», согласно одному из изложений которого, производительность процессоров должна удваиваться каждые 18 месяцев, больше не работает.
С конца XX века мир находится на пороге второй квантовой революции. В первой квантовой революции технологи и приборы строились на управлении коллективными квантовыми явлениями.
Российский усилитель сигнала для квантового компьютера
Во второй квантовой революции технологии будут строиться на способности управлять сложными квантовыми системами на уровне отдельных частиц, например, атомов и фотонов. Технологии, основанные именно на таком высоком уровне контроля над индивидуальными квантовыми объектами, принято объединять термином квантовые технологии.
Квантовые технологии в России
Советско-российская школа квантовой физики является одной из сильнейших в мире. Все нобелевские премии по физике советских и российских ученых связаны с достижениям и в области квантовой физики. Научная школа сильно пострадала из-за массового отъезда ученых за границу в 1990-х и в начале 2000-х, однако это сформировало в области квантовой физики сильнейшую русскоговорящую международную научную диаспору.
При этом в России остались десятки научных групп, проводящих исследования мирового уровня. Появившееся в последнее десятилетие тенденции к возвращению состоявшихся за границей российских ученых и к привлечению зарубежных ученых без российского опыта позволит обеспечить для России потенциал для прорыва и захвата лидирующих позиций в отдельных направлениях квантовых технологий.
| Показатель | 2019 | 2021 | 2024 |
|---|---|---|---|
| Количество публикаций по квантовым технологиям, в год | 560 | 800 | 1 200 |
| в т.ч. количество публикаций в журналах с IF больше 3 | 190 | 290 | 480 |
| Количество РИД. в год | 30 | 50 | 60 |
| Квантовые вычисления | |||
| Количество кубитов в сверхпроводниковом квантовом компьютере | 2 | 5-10 | 30-50 |
| Количество кубитов в квантовом компьютере на нейтральных атомах | 10 | 50 | 100 |
| Количество кубитов в квантовом компьютере на ионах | 1 | 5 | 55 |
Источники: МИСиС, CNews Analytics
Индустрия квантовых вычислений в мире находится только на стадии формирования. Поэтому в данный момент имеется возможность при резком старте присоединиться к квантовой технологической гонке, несмотря на имеющееся на сегодня отставание, считают авторы дорожной карты. Целевая поддержка развития квантовых технологий позволит сократить разрыв в таких направлениях, как квантовые вычисления, а по ряду направлений создать конкурентные продукты с экспортным потенциалом и выйти на международные рынки.
В развитых странах мира власти и крупный бизнес активно помогают развитию квантовых технологий. В США Конгрессом утвержден проект развития квантовых технологий объемом $20 млрд. В Европе действует программа Quantum Flagship с бюджетом 3 млрд евро, а в Китае создается Национальная квантовая лаборатория с бюджетом до $12 млрд.
Также инвестиции в квантовые технологии осуществляют такие компании, как Google, Microsoft, Intel и IBM. А Airbus и Volkswagen уже решают задачи с помощью квантовых технологий. Общий объем частных инвестиций в квантовые технологии составляют $1 млрд в год.
Квантовые вычисления
В дорожной карте квантовые технологии подразделены на три субтехнологии. Первая из них, квантовые вычисления, представляет из себя новый класс вычислительных устройств, использующий для решения задач принципы квантовой механики. Прогнозируется, что в целом ряде задач квантовый компьютер будет способен дать многократное ускорение по сравнению с существующими суперкомпьютерными технологиями. Примерами являются сферы кибербезопасности, искусственного интеллекта и создание новых материалов.
Схема квантовых вычислений к 2024 году
Главным потребителем квантовых вычислений является государство. Основными драйверами роста для рынка квантовых вычислений станет борьба с преступностью, использование квантовых вычислений в автомобильной и оборонной промышленности, а также увеличение объема государственных инвестиций.
Наиболее перспективными и лидирующими платформами квантовых вычислений считаются три: сверхпроводящие цепочки, нейтральные атомы и ионы в ловушках. Уровень готовности квантовых технологий определяется по шкале QTRL: первый уровень означает наличие только теоретических разработок, максимальный девятый уровень - возможность квантового компьютера превосходить классический компьютер.
Для указанных платформ QTRL находится на отметке 4-5, то есть в соответствующих вычислительных системах пока не решена задача реализации квантовых кодов коррекции ошибок, и соответственно, на них не могут быть в полном объеме реализованы практически значимые алгоритмы (например, алгоритм Шора). В России реализованы прототипы квантовых компьютеров с 2 кубитами и квантовые симуляторы с 10-20 кубитами. Это соответствует уровню QTRL 3-4.
Вычислительные возможности квантового симулятора определяются классом систем и явлений, которые с его помощью могут быть промоделированы, а также точностью результатов моделирования. Поэтому оценке их реализации целесообразно сравнивать не количество в них квантовых частиц, а спектр и востребованность задач, решаемых данными типом симулятора, отмечают авторы документа.
В России создан значительный научный задел в области квантовых вычислений, также развиваются различные элементные базы для построения квантовых компьютеров и квантовых симуляторов. Имеется задел по квантовых вычислениям с использованием фотонов и интегральной оптики, квазичастиц (поляритоны), а также ведутся поисковые исследования по примесным атомам в кремнии.
Кроме того, ведутся обширные теоретические исследования в следующих областях: томография квантовых состояний и процессов, подавление ошибок в квантовых компьютерах, вариационные квантовые алгоритмы, алгоритмы квантового машинного обучения, эмуляция квантовых вычислений, оптимизация квантовых операций, исследование ресурса существующих квантовых компьютеров.
Квантовые коммуникации
Вторая субтехнология - квантовые коммуникации – представляет из себя технологию криптографической защиты информации, использующей для передачи ключей индивидуальные квантовые частицы. Главное преимущество квантовых коммуникаций – защищенность информации, гарантированная законами физики. Основной технологией в данной сфере квантовое распределение ключей (КРК), обеспечивающее защищенность информации, гарантированной законами физики.
Схема сети квантовой связи к 2024 году
Квантовые коммуникации устраняют угрозы информационной безопасности, в том числе со стороны квантовых компьютеров. Приоритетными отраслями для их внедрения являются: защита национальных информационно-телекоммуникационных сетей, обеспечение защиты информации для финансового сектора, государственных органов, крупных технологических компаний и держателей критической информационной инфраструктуры.
Уровень готовности технологий квантовых коммуникаций (TRL) в мире находится на максимальной, девятой отметке. Это относится как к решениям «точка-точка», так и к сетях с доверенными узлом. Оборудование КРК для сетей с недоверенными узлами находится на уровне лабораторного тестирования.
Отечественные решения «точка-точка» несколько уступают зарубежным, их TRL находится на отметке «8». А вот в части квантовых сетей на основе доверенных узлов отечественные разработки сильно отстают от Китая и ЕС - их TRL находится лишь на отметке «6».
В то же время динамика движения российских команд очень позитивная, отмечают авторы дорожной карты. В результате позднего старта только в 2016 г. были представлены полевые испытания прототипов, что соответствует отставанию в 12-14 лет. За три года отставание по решениям «точка-точка» сократилось до трех лет. За следующие три-четыре года необходимо ликвидировать отставание полностью.
Актуализация угрозы квантового компьютера увеличит скорость развития рынка квантовых коммуникаций как в России, так и за рубежом, говорится в дорожной карте. Поддержка строительства квантовых сетей сформирует сильных игроков рынка, которые создают как магистральные сети, так и разветвленные городские. Новые решения должны позволить перейти от решений «точка-точка» к архитектуре «звезда» со снижением стоимости подключения и к решениям без требования к доверию промежуточному узлу. Ускоренное развитие отечественных игроков позволит охватить 8% мирового рынка.
Квантовые сенсоры и метрология
Третья субтехнология – квантовые сенсоры и метрология - представляет совокупность высокоточных измерительных приборов, основанных на квантовых эффектах. Высокая степень контроля над состояние отдельных микроскопических систем позволяет создавать сверхточные квантовые сенсоры с пространственной разрешающей способностью, сравнимой с размером одиночных атомов, а также высокоточные атомные часы. Использование свойств суперпозиции, запутанности, сжатия квантовых состояний обеспечит в перспективе максимально возможную чувствительность измерения за счет преодоления стандартного квантового предела.
Высокая степень контроля над состояние отдельных микроскопических систем, обеспечиваемая квантовыми технологиями, позволяет создавать квантовые сенсоры с высокой чувствительностью. Развитие технологий разнообразных датчиков нового поколения может дать мощный импульс сразу в нескольких областях: оборона и безопасность, навигация (космос, беспилотный транспорт), строительство, нефтедобыча и геологоразведочные работы, медицинская диагностика/терапия, «индустрия 4.0».
| Полный бюджет ДК | Приоритизация с учетом утвержденного бюджета ЦЭ | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Субтехнология | Бюджет | Внебюджет | Бюджет (вне ЦЭ) | Всего | Процент финансир ования | Бюджет | Внебюджет | Бюджет (вне ЦЭ) | Всего |
| Квантовые вычисления | 12,800 | 2,400 | 15,200 | 9,930 | 2,400 | 12,330 | |||
| Сверхпроводниковые квантовые компьютеры и симуляторы | 3,000 | 1,200 | 4,200 | 100% | 3,000 | 1,200 | 4,200 | ||
| Квантовые компьютеры и симуляторы на нейтральных атомах | 2,250 | 0,600 | 2,850 | 100% | 2,250 | 0,600 | 2,850 | ||
| Квантовые компьютеры и симуляторы на основе ионов в ловушках | 1,500 | 0,600 | 2,100 | 100% | 1,500 | 0,600 | 2,100 |
Источники: МИСиС, CNews Analytics
В мире уровень готовности соответствующих технологий находится на отметке TRL 3-9, в России – на отметке TRL 1-5. За счет использования квантовых технологий уровень чувствительности магнитометров увеличится в 1 млн раз, стабильность хронометров – в 1 тыс. раз, чувствительность акселерометров/гироскопов - в 1 тыс. раз, чувствительность гравиметров – в 100 раз.
На российском рынке решения в области квантовой сенсорики представлены, в основном, зарубежными компаниями. В России основными разработчиками являются университеты и научно-исследовательские институты.
К числу таких решений, имеющих практические приложения и коммерческие перспективы, можно отнести: оптические атомные часы, гравиметры/акселерометры на атомах рубидия; гироскопы на ансамблях спинов в твердом теле; локальные сенсоры магнитного поля и температуры на основе азото-замещеной вакансии в алмазе и электрического поля – на центрах окраски; датчики электромагнитных полей на основе когерентных состояний спинов в магнитоупорядоченных средах; спинтронные сенсоры; магнитоплазмонные сенсоры; твердотельные фотоумножители; спектрограф (электронный нос) с использованием микрорезонаторов; источники и приемники одиночных фотонов. Важной поддерживающей технологий является разработка дешевых лазерных модулей.
Одной из главных тенденций рынка станет применение квантовой сенсорики в области медицины. В частности, их использование будет востребовано в цитологии и создании новых медицинских устройств, например, для диагностики и лечения онкологических и других заболеваний. Еще одним из главных трендов является растущий спрос на интернет вещей, что в значительной степени стимулирует рост рынка квантовых сенсоров. Также рост рынка стимулирует развитие глобальных навигационных систем, которые широко используются в аэрокосмической и автомобильной отраслях для навигации.
Сколько нужно денег на развитие квантовых технологий в России
Из обозначенных субтехнологий к коммерческому применению наиболее близки квантовые коммуникации. Именно в рамках данной субтехнологии российские разработки имеют шанс выйти на мировой рынок. В то же время для стратегических интересов страны наиболее важны квантовые вычисления. Что касается продуктов на основе квантовой сенсорики и метрологии, то для раскрытия их потенциала необходимо будет преобразить многие индустрии.
Дорожная карта предполагает финансирование проектов по развитию квантовых технологий в период до 2024 г. на общую сумму 51,15 млрд руб. Из этой суммы 41,1 млрд руб. выделит федеральный бюджет, 10,03 млрд руб. будут взяты из внебюджетных источников.
В том числе на реализацию основных проектов в сфере квантовых технологий планируется потратить 34 млрд руб. Из этой суммы федеральный бюджет выделит 26,35 млрд руб., из внебюджетных источников будет взято 7,63 млрд руб.
В сфере квантовых вычислений общий объем финансирования составит 15,2 млрд руб., из которых федеральный бюджет выделит 12,8 млрд руб., внебюджетные источники – 2,4 млрд руб. В том числе на грантовую поддержку организаций будет направлено 4,9 млрд руб., на поддержку программ деятельности лидирующих исследующих центров (ЛИЦ) – 2,1 млрд руб., на поддержку отраслевых решений – 3,2 млрд руб., на поддержку разработки и внедрения промышленных решений – 2,8 млрд руб., на поддержку компаний-лидеров – 2,2 млрд руб.
В данной сфере запланировано: в 2020 г. реализовать квантовые процессоры с 5- 10 кубитами; в 2021 г. сформулировать задачу о достижении квантового превосходства (решение квантовым компьютером задачи, которая не поддается решению классическими технологиями); в 2023 г. – запустить облачную платформу для квантовых вычислений (обеспечивающую API и имеющую высокоуровневые языки программирования) и эмулятор квантового процессора, а также на реальных физических системах протестированы методы подавления и коррекции ошибок.
В 2024 г. должна быть решена задача о достижении квантового превосходства, а также реализованы и протестированы пять квантовых алгоритмов для решения индустриально востребованных задач. К этому моменту более 10 компаний будут использовать облачную платформу для квантовых вычислений. Сама платформа будет использовать не менее трех различных типов квантовых процессоров, иметь не менее 10 тыс. запусков в год для решения задач и интегрированные методы подавления и коррекции ошибок.
По результатам реализации мероприятий дорожной карты в сфере квантовых вычислений количество кубитов в сверхпроводниковом квантовом компьютере увеличится с двух в 2019 г. до 30-50 в 2024 г., количество кубитов в квантом компьютере на нейтральных атомах – с 10 до 100, количество кубитов в квантовом компьютере на ионах – с одного до 55, количество каналов в квантовом компьютере на фотонах – с 10 до 100, количество частиц в квантовом компьютере/симуляторе на поляритонах – с 50 до 1 тыс., количество экспериментов на квантовой облачной платформе – с 0 до 10 тыс.
В сфере квантовых коммуникаций общий объем финансирования составит 11,7 млрд руб. Из этой суммы федеральный бюджет выделит 6,6 млрд руб., еще 5,1 млрд руб. выделят внебюджетные источники. В том числе на поддержку отраслевых решений будет направлено 2,8 млрд руб., на поддержку разработки и внедрения промышленных решений – 1,5 млрд руб., на поддержку региональных проектов – 1,1 млрд руб., на поддержку компаний-лидеров – 2,9 млрд руб.
Дорожная карта предполагает запуск в 2020 г. пилотных проектов по внедрению квантового распределения ключа в пяти крупных компаниях. В 2021 г. должно состояться мультиплексирование квантовой и классической связи, реализация спутниковой квантовой криптографии и реализация экспортного потенциала решений для КРК.
По результатам реализации мероприятий дорожной карты в сфере квантовых коммуникаций общая протяженность соответствующий сетей связи увеличится с 100 км в 2019 г. до 10 тыс. км в 2024 г., количество поддерживаемых портов в сетях «точка-многоточка» – с 24 до 128, предельная дальность вне лаборатории – с 100 км до 250 км, скорость генерации секретного ключа – с 10 до 5 тыс. км (единица измерения - кбит/с на 25 км). Также появится сертификация оборудования.
В сфере квантовых сенсоров и метрологии объем финансирования составит 7,5 млрд руб. Большую часть данной суммы - 7 млрд руб. – выделит федеральный бюджет, оставшиеся 500 млн руб. будут взяты из внебюджетных источников. В том числе на грантовую поддержку организаций планируется направить 2 млрд руб., на поддержку программ деятельности ЛИЦ – 1 млрд руб., на поддержку отраслевых решений – 1,5 млрд руб., на поддержку разработки и внедрения отраслевых решений – 2 млрд руб., на поддержку компаний-лидеров – 1 млрд руб.
Согласно дорожной карте, в 2019 г. состоится демонстрация прототипов квантовых сенсоров для индустрии, в 2021 г. - тестировании сенсоров в реальных условиях, в 2023 г. – внедрение в интернет вещей и медицину, а в 2024 г. будет запущено мелкосерийное производство.
По результатам реализации мероприятий дорожной карты в сфере квантовых сенсоров и метрологии количество типов промышленных образцов квантовых сенсоров увеличится с двух в 2019 г. до шести в 2024 г., среднее квадратическое относительное двухвыборочное отклонение измеренного значения меры частоты за интервал 10 часов изменится с 10-16 до 10-18, а пространственное разрешение сенсоров на центрах окраски измениться с 10 мкм до 0,5 мкм.
Образование и наука для квантовых технологий
Помимо затрат на основные мероприятия, дорожная карта предполагает выделение 17,15 млрд руб. на организационные мероприятия. Из этой суммы 14,75 млрд руб. выделит федеральный бюджет, 2,4 млрд руб. будут взяты из внебюджетных источников.
В том числе: 1 млрд руб. будет выделен на организацию профильных спецкурсов в рамках программы школьного образования, кафедр квантовых технологий на базе вузов, а также центров дополнительного образования; 5 млрд руб. на формирование инфраструктуры и комплекса мер поддержка для развития профильных стартапов на территориях российских наукоградов и технопарков; 1 млрд руб. на разработку и реализацию комплексной программы продвижения созданных российскими стартапами продуктов и услуг на внешнем рынке; 1,2 млрд руб. на создание отдельной организационной структуры по управлению дорожной картой; 3,6 млрд руб. на формирование отраслевых проектов.
Кроме того, 500 млн руб. будет направлено на формирование стандартов и верифицированных методик для образовательных курсов в школах, колледжах и вузах; 200 млн руб. - на организацию долгосрочной информационно-просветительной кампании для привлечения отечественных специалистов в российские исследовательские и коммерческие организации; 300 млн руб. - на организацию серии хакатонов с последующим финансированием лучших проектов; 700 млн руб. - на организацию работы межотраслевого центра внедрения квантовых технологий в деятельность отечественных корпораций; 300 млн руб. - на организацию работы межотраслевого центра управления знаниями в формате веб-ресурса, организацию долгосрочной информационно-просветительской кампании для привлечения зарубежных кадров в российские исследовательские и коммерческие организации; 500 млн руб. - на консультативное сопровождение выхода российских профильных предприятий на международный рынок.
По результатам реализации мероприятий дорожной карты количество публикаций по квантовым технологиям в России увеличится с 560 в 2019 г. до 1,2 тыс. в 2024 г., а количество результатов исследовательской деятельности (РИД) – с 30 до 60.