От однофотонных детекторов к национальным квантовым сетям: как развиваются квантовые технологии в России?

В начале весны этого года в Москве собрались инженеры, разработчики, научные сотрудники, чтобы рассказать о монетизации квантовых технологий и прояснить, какой этап второй квантовой революции проходит человечество и Россия в частности, а также как изменится мир благодаря новым разработкам.

Квантовой технологией называют технологию, основанную на квантовой физике. Но ей уже более 70 лет (транзисторы, лазеры и вся полупроводниковая электроника, на них построенная). Почему тогда об этой технологии говорят в будущем времени? Таким вопросом открыл Quantum Technology Conference профессор физического факультета Университета Калгари, член научного совета Российского квантового центра (РКЦ), редактор журнала Optics Express Александр Львовский и тут же прояснил его.

Сейчас речь идёт о технологии второй квантовой революции – управлением сложными квантовыми системами на уровне их элементарных компонентов (квантовый компьютер, квантовая криптография, квантовые датчики).

Капитализация рынка квантовых технологий

По словам Львовского, в создание квантового компьютера активно вкладывают четыре компании: Google ($100 млн), Intel ($50 млн), IBM ($100 млн), Alibaba Group ($150 млн). Первая тройка реализовала «квантовые компьютеры» (Google – 49 кубит, IBM – 16 кубит, Intel (Intel Core Quantum) – 50 кубит), но специалист сказал, 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. Он привёл данные двух аналитических агентств:

• $845 млн – объём рынка квантовых коммуникаций в 2015 г. по данным Global Industry Analysts;
• $26 млрд – рынок квантовых вычислений в 2015-2020 гг., прогноз Market Research Media.

Коммерциализация квантовых технологий в России

Начинается с 2017 года, отметил Львовский. РКЦ при поддержке Газпромбанка, ВЭБ, Сбербанка разработал квантовый блокчейн, в котором цифровые подписи заменены протоколами попарной аутентификации на основе квантовой криптографии, а конструкция «блоков» децентрализована по всей сети.

Однако завкафедрой квантовой оптики и телекоммуникаций МИЭМ НИУ ВШЭ, профессор Григорий Гольцман привёл примеры коммерциализованных разработок основанной им ещё в 2004 году компании «СКОНТЕЛ»: двухканальную систему регистрации оптических фотонов и приёмную систему терагерцового излучения.

Он отметил, что работы над квантовыми технологиями в России начались 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 им удалось создать 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.

Дорожная карта развития квантовых технологий в России

Руководитель проекта Фонда перспективных исследований (ФПИ) Алексей Заблоцкий представил дорожную карту развития технологий квантовой обработки информации в Российской Федерации, согласно которой горизонт планирования установлен на 2030 год. Она выделяет ключевые направления:

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

Кроме того, в рамках программы «Цифровая экономика РФ», предусматривающей развитие квантовых технологий в частности, при финансировании РОСАТОМа, ФПИ и Минобрнауки РФ запущен пилотный проект (шифр «Лиман» 2016-2020 гг.) по развитию технологий сверхпроводниковых кубитов.

Заблоцкий также рассказал о новой разработке магистрального шифратора на 10 Гб/с с квантовым каналом, соответствующего временным требованиям к квантовым криптографическим системам СКЗИ для коммерческой тайны, утверждённым ФСБ РФ в июне 2017-го.

Технологии квантовой коммуникации

В этой области удалось достичь больших успехов, чем в изобретении универсального квантового компьютера. Александр Львовский рассказал, что уже сегодня существуют три варианта реализации квантовой коммуникации:

1. по оптоволокну – серверы связаны по уже существующим каналам коммуникации.
2. по открытому пространству – по оборудованию сотовых операторов.
3. по спутниковой связи – обмен квантовым ключом шифрования с наземной станцией и орбитальным спутником.

Из выступления Кирилла Разгуляева стало ясно, что безоговорочный лидер в этом плане – Китай. В стране работает сеть Пекин-Шанхай протяжённостью 2000 км с 32 узлами. А благодаря квантовой спутниковой станции спутниковая была установлена сеть Пекин-Вена.

Что касается России, то системами квантовой коммуникации 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).

Национальная квантовая сеть

Помимо локальных квантовых сетей, в России ведутся работы 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», предусматривающий 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», который обеспечит контроль доступа к информационным каналам, что повысит уровень информационной безопасности и решит задачи импортозамещения.

Заключение

Гости Quantum Technology Conference также узнали о других направлениях квантовых технологий, которые можно монетизировать. К примеру, о квантовых эмуляторах для понимания физики материалов или о квантовых датчиках, способных полностью понять биологические процессы.

А вывод, к которому пришли все посетители форума, можно сформулировать цитатой из доклада Александра Львовского:

«Изменения в нашей жизни, к которым приведёт развитие квантовых технологий, сравнимы по масштабу революционности с теми, которые полупроводниковая электроника вызвала во второй половине XX века».