Руслан Юнусов, РКЦ — о постквантовых алгоритмах, сроках появления квантовых компьютеров и российских разработках

Руслан Юнусов — генеральный директор Российского квантового центра. Закончил с отличием физический факультет МГУ. Научную карьеру продолжил в аспирантуре в ИБХФ имени Н. М. Эмануэля РАН, где защитил кандидатскую диссертацию. Работал руководителем в области ТЭК, а также в компаниях инвестиционного и инновационного профиля.

РКЦ — исследовательская организация, которая проводит фундаментальные и прикладные исследования в области квантовой физики, занимается созданием и коммерциализацией новых технологий и устройств, основанных на использовании квантовых эффектов. Специалисты разрабатывают сверхчувствительные сенсоры, оптические микрорезонаторы, элементы квантовых компьютеров (кубиты), а также системы квантовой криптографии и другие. В 2016 году Центр первым в России запустил абсолютно защищенную связь в коммерческих линиях, в мае 2017 года — первую в стране многоузловую квантовую сеть и первый в мире квантовый блокчейн.

Квантовый процессор, российские разработки и стек

— Что включает в себя дорожная карта по развитию квантовых технологий?

— Дорожная карта включает три основные субтехнологии: квантовые вычисления, то есть квантовый компьютер, квантовые коммуникации и квантовые сенсоры. Если говорить с точки зрения зрелости, квантовые коммуникации сегодня у нас наиболее конкурентоспособны по сравнению с решениями в мире. За последние три года нам удалось сильно сократить отрыв от лидеров, и мы сейчас их уже догоняем. Задача к 2024 году — сделать решение мирового уровня и выйти на мировые рынки, продавать там уже устройство. Наш целевой показатель, о котором мы говорим, — это 8% от мирового рынка.

— РКЦ разрабатывает все три направления, о которых вы сказали?

— Частично. По квантовым коммуникациям у нас своя команда, но в России есть еще две исследовательские группы. В квантовых вычислениях мы какие-то части этого большого поля разрабатываем, но не все. Если говорить про квантовые вычисления — многие люди не совсем корректно понимают постановку задачи. Чтобы решить задачу на квантовом компьютере, недостаточно иметь просто квантовый процессор. Нужно уметь управлять им, а дальше нужно иметь условно операционную систему, алгоритмы — решать весь стек.

— Какие сейчас задачи, если говорить про компьютер — повышать время жизни кубитов? Если рассматривать на примере компьютера IBM.

— Смотрите, то, что вы сейчас говорите — это вопрос первого уровня, hardware. Как построить сам процессор, чтобы он нормально работал. И есть несколько различных технологических баз, на которых можно его построить — сверхпроводимость или холодные атомы и холодные ионы. Непонятно, кто из них выиграет через пять лет.

— Это все придет к одному решению, на рынке не будет всех технологий одновременно?

— Скорее всего, рано или поздно придет к чему-то одному. Почему? Вот, например, классические процессоры — все построены на одной технологии. Хотя теоретически можно было сделать разные. И причин тому несколько — инвестиции, эффективность и так далее. Просто сейчас непонятно, какая технология победит. Существуют технологические проблемы со сверхпроводящими кубитами, например, время жизни, но и это не единственный вопрос. Точность записи и считывания тоже очень важна. А дальше — как построить достаточно большую масштабируемую систему. Это основной вопрос. Там много параметров, которые надо решать. Представим, что вы построили хороший процессор. У вас компьютер не заработает на одном процессоре. Нужны еще и алгоритмы исправления ошибок, коды коррекции, нужны алгоритмы решения задач, сама операционная система, язык программирования, интерфейс для индустрии, чтобы можно было загрузить задачу и получить решение.

— Это можно строить одновременно с процессором?

— Конечно, так и делается. Например, люди пишут языки программирования для абстрактного квантового компьютера. Или квантовые алгоритмы по факторизации чисел, еще чего-то — они делаются вообще для абстрактного квантового компьютера, так называемого универсального. Когда люди пишут софт, высокоуровневые программы, они не думают, на каком процессоре это будет сделано, — пишут на уровне логики. Так же и здесь — на уровне логики разрабатываются алгоритмы.

Квантовые компьютеры придут даже в сельское хозяйство

— Можете рассказать про квантовые сенсоры?

— Один из примеров квантового сенсора — сверхпроводниковый квантовый компьютер В качестве кубитов в нем используется такая цепочка в сверхпроводящем состоянии. И проблема времени жизни в том, что любые внешние возмущения разрушают это состояние. Если эту же конструкцию использовать как детектор внешних полей, которые ее разрушают, то можно очень точно измерять магнитные поля. Самые точные измерения магнитных полей осуществляются как раз с помощью этой же технологии кубитов, только в другой ипостаси. Можно использовать отдельные атомы — например, атомы азота, помещенные в кристалл алмаза. Они так изолированно расположены, что с их помощью можно измерять те же магнитные поля, или температуру, или гравитацию. В лабораториях это уже происходит, но необходимо переходить к промышленным продуктам. Это будут очень маленькие, энергоэффективные и чувствительные сенсоры.

— В конце брифинга вы сказали, что квантовые технологии придут во все отрасли. А зачем они во всех отраслях? Вы провели аналогию с обычными компьютерами, но во многих отраслях обычные компьютеры решают все задачи.

— Да, но когда появлялись обычные компьютеры, они не были нужны во всех отраслях. 50 лет назад не всем нужны были компьютеры, и люди говорили: да, мне он не нужен. А сегодня нет ни одной такой отрасли…

— Считаете, то же самое произойдет с квантовым?

— Когда у тебя еще есть мощности, в голову приходят новые задачи. Так же и здесь, например, искусственный интеллект — где нужен, везде или нет? Да, практически везде. Просто по мере того, как он станет более доступным, простым, интегрируемым и будет решать более широкий класс задач, он начнет использоваться везде. Квантовый компьютер — это как низлежащая технология, которая обеспечивает решение разных задач. По мере развития этой технологии она будет приходить и в сельское хозяйство, и в промышленный сектор, и в банковскую сферу.

— Вы сказали про 2024 год. Но если говорить про доступность по цене технологий для бизнеса, даже крупного, то о каких сроках можно говорить, когда подобные технологии смогут себе позволить компании?

— Здесь одна проблема — не понятно, сколько нужно времени для решения технологических проблем по масштабированию квантового компьютера. Может быть, три года, может, и больше. Иногда, бывает, ты доходишь до стадии реализации, и видишь техническую проблему, решение которой займет несколько лет. Бывает, что нормально движешься. Пока вроде движение идет, но это неочевидно. Поэтому на горизонте пяти лет ожидается, что будут предложены экономически эффективные решения.

Про доступ — не всем надо будет покупать квантовый компьютер, чтобы попробовать возможности квантовых вычислений. Уже сейчас для того, чтобы протестировать технологию, IBM дает облачный доступ к своему компьютеру. И вот мы предлагаем в рамках дорожной карты двигаться к тому, чтобы сделать облачную платформу. Чтобы каждый мог не покупая компьютер протестировать прорывную технологию

— То есть это будет компьютер, построенный, например, в РКЦ, к которому могут получить доступ другие организации?

— Не обязательно в РКЦ, он где угодно может быть построен. И главная идея в том, что эта платформа будет иметь доступ к разным компьютерам. Потому что сейчас есть универсальные квантовые компьютеры, симуляторы, есть квантово-вдохновленные классические алгоритмы, есть просто классические компьютеры. И в зависимости от характера и сложности задачи она направляется для просчетов на соответствующую систему. Так же, как и сейчас у нас есть процессор, внутри него сопроцессор, и еще есть графический процессор. И от того, какая задачка стоит, система определяет, куда ее отправить решать. Так и здесь: платформа должна в зависимости от задачи понимать, где лучше ее попробовать решать. И работать не с одним компьютером, а с несколькими, и еще и с симуляторами.

— Когда появится квантовый компьютер, он сможет взломать все системы шифрования. Готовы ли мы к этому моменту?

— Квантовые коммуникации защищают от этого. В России разработаны соответствующие решения, в частности — нашей дочерней компанией Qrate, так называемые установки квантового распределения ключа. Если завтра эта проблема возникнет, то она не будет решена за один день, потому что нужно время на инфраструктуру. Плюс есть еще новые типы алгоритмов — так называемые постквантовые алгоритмы — они тоже еще пока не внедрены. Мы прикладываем усилия, чтобы встретить появление квантовых компьютеров во всеоружии.

Квантовые коммуникации — коммуникационные сети, защищающие передаваемые данные с использованием фундаментальных законов квантовой механики. Являются практической реализацией так называемой квантовой криптографии. Они формируют важный элемент квантовых вычислений и систем криптографии. Допускают транспортировку информации между физически разделенными квантовыми системами. В распределенных вычислениях сетевые узлы в сети могут обрабатывать информацию, выполняя функцию квантовых вентилей. Безопасная передача данных может быть реализована с помощью алгоритмов распределения ключей.

Постквантовая криптография — часть криптографии, которая остается актуальной при появлении квантовых компьютеров и атак. Так как по скорости вычисления традиционных криптографических алгоритмов квантовые компьютеры значительно превосходят классические компьютерные архитектуры, современные криптографические системы становятся потенциально уязвимыми к атакам. Большинство традиционных криптосистем опирается на проблемы факторизации целых чисел или задачи дискретного логарифмирования, которые будут легко разрешимы на достаточно больших квантовых компьютерах, использующих алгоритм Шора.

— Вы говорите, что квантовые технологии начнут внедрение в бизнес уже в пределах пяти лет?

— На горизонте пяти лет появятся компьютеры, которые начнут решать первые экономически эффективные задачи. Вот задача факторизации — одна из сложных, она не будет решаться на первом этапе. Для нее нужны, например, большие мощности, чем для моделирования каких-то первых материалов. По задачам оптимизации требования, возможно, меньше, чем по факторизации. То есть сейчас есть несколько десятков квантовых алгоритмов, которые решают разные задачи. Алгоритм Шора, который делает факторизацию, который будет взламывать, — он достаточно требовательный.