Квантовые технологии и облака

Задачи, поставленные перед квантовой отраслью Национальной программой «Цифровая экономика», выполнены – таким был лейтмотив выступлений на Третьем всероссийском форуме «Доверенные квантовые технологии и коммуникации. КВАНТ 2025». В рамках нацпрограммы разработана технология построения магистральных квантовых сетей и проложено более 7 тыс. км магистральных каналов. В 2023 г. к сегменту Санкт-Петербург – Москва – Нижний Новгород РЖД присоединили Воронеж, Ростов-на-Дону и Казань. К 2025 г. протяженность сети удвоилась – были подключены Сочи, Саратов, Самара, Челябинск, Екатеринбург. 

Создан технологический задел по российской элементной базе, проработаны вопросы маршрутизации и спектрального уплотнения каналов. На объектах инфраструктуры проведено пилотирование проектов. Формируется экосистема отрасли, идут подготовка кадров и информационное продвижение, развивается нормативная база. 

В 2020 г. в области квантовых вычислений Россия отставала от ведущих стран на 7–10 лет. За пять лет она догнала лидеров и вошла в первую тройку. «Впереди США и Китай, но из стран второго эшелона Россия – единственная, имеющая квантовые вычислители на всех четырех приоритетных платформах. Кроме того, мы входим в шестерку стран, обладающих квантовыми компьютерами в 50 кубитов и более», – заявила директор по цифровизации корпорации «Росатом» Екатерина Солнцева.

Сформулированы очередные задачи: до конца 2030 г. в рамках нового нацпроекта «Экономика данных и цифровая трансформация государства» перейти от технологических сетей к сервисам операторов связи и коммерциализировать сервисы на основе технологий квантовых коммуникаций. «Нужно расширять практическое внедрение, переходить от корпоративного режима к сервисной модели, взаимодействию магистрального оператора, региональных операторов и клиентов», – подчеркнул начальник департамента квантовых коммуникаций РЖД Артур Глейм.

Основные направления развития квантовых технологий: квантовые вычисления, квантовая метрология и сенсоры; квантовая связь и криптография. Используемые в сетях технологии квантовой криптографии – квантовое распределение ключей (КРК) – уже созрели для коммерческой эксплуатации, что нашло отражение и в новом нацпроекте. 

В классических системах связи информация кодируется амплитудой и фазовым сдвигом оптического сигнала, представляющего собой импульс лазерного излучения. Для таких систем легко реализуется атака подслушивания – злоумышленник может отделить малую часть импульса, оставшись незамеченным за счет компенсации потерь. Или просто принять сигнал, скопировать и отправить принимающей стороне.

Квантовая криптография исключает такую возможность, так как при перехвате нарушается связность потоков. Более того, попытка перехвата будет сразу замечена. Поэтому передаваемый по каналу ключ, используемый для шифрации и дешифрации сообщения, защищен от злоумышленников.

В целом технология КРК отработана. РЖД успешно развивает магистральную сеть на основе ВОЛС. Появились решения для бизнеса – еще в 2022 г. РЖД и «Газпром» объявляли о начале тестирования квантового телефона «ИнфоТеКС», в котором голос шифруется с использованием КРК. 

Квантовая связь вышла и в космос. «Газпромбанк» на создание российской квантовой спутниковой связи выделил стартапу QSpace $1 млн. Стартап разработал терминал лазерной связи с Землей «Вектор» для малых космических аппаратов формата CubeSat. В июне 2023 г. оборудованный «Вектором» спутник «Импульс‐1» был успешно запущен на околоземную орбиту. 

Правда, о реальных внедрениях в бизнесе сверхзащищенной связи пока не слышно. Многих останавливает высокая стоимость решения. 

Для удешевления продукта и снижения веса устройства компания «ИнфоТеКС» разработала его более простой вариант, в котором есть только передатчик квантовых состояний – «Алиса». Как пояснил начальник отдела квантовых технологий компании Сергей Еранов, лазерный источник со схемой аттенюации проще и дешевле детектора одиночных фотонов, устанавливаемого на приемной стороне – «Бобе». К тому же один приемник может работать с несколькими «Алисами», которые располагаются на концах лучей квантовой сети, что заметно снижает стоимость построения сети в целом. Вырабатываемые криптографические ключи поступают потребителю ключей. В качестве потребителя квантовых ключей «ИнфоТеКС» предлагает аппаратный IP-телефон с функцией защиты аудио- и видеоданных и шифратор канального уровня. «В этом году планируем добавить поддержку квантовых ключей в наши VPN-решения. Одним из перспективных направлений развития видим поддержку DWDM для использования «светлого» волокна. В 2024 г. провели успешное макетирование такого решения и сейчас рассматриваем возможность поддержки на уровне серийных изделий», – сообщил С. Еранов. 

Коммерческое внедрение квантовых коммуникаций помимо высокой стоимости тормозят нерешенные технические проблемы. Среди них: обеспечение работы в условиях сильных помех – электромагнитных воздействий, сложных погодных условий, пыли в атмосфере; ограниченная дальность передачи, требующая создания квантовых повторителей; сложности масштабирования. Над этими задачами сейчас работают ученые и инженеры.

Квантовые компьютеры пока не могут заменить классические, до их внедрения в промышленную эксплуатацию далеко, но прогресс достигнут существенный. В их применение верят и даже принимают превентивные меры в предвидении их будущего использования. Например, сообщалось о переходе госорганов США на постквантовую криптографию.

Разработки ведутся в области четырех основных технологий (платформ) для создания кубитов: 

У каждой технологии есть свои достоинства и недостатки. «Заниматься необходимо каждой из четырех основных физических платформ для квантовых вычислений, – дал комментарий нашему изданию заведующий лабораторией квантовых информационных технологий МИСиС Алексей Федоров и добавил: Будущее за гибридным подходом к вычислениям. Мы рассматриваем квантовый компьютер не как отдельное решение, а как сопроцессор для классического компьютера, позволяющий ему ускорить решение отдельных задач. Также возможен сценарий специализации различных типов квантовых процессоров на конкретных задачах, для решения которых они будут оптимальны».

И здесь перед разработчиками стоят непростые задачи: борьба с шумами и декогеренцией – потерей квантовых свойств из-за взаимодействия с окружающей средой, масштабируемость и разработка квантовых алгоритмов, использующих преимущества квантовых компьютеров.

Высокая стоимость, эпизодическая востребованность, необходимость квалифицированного персонала для обслуживания – по всем этим параметрам квантовые технологии предпочтительнее использовать по сервисной модели. 

В случае КРК бизнес может ограничиться покупкой оконечных передающих устройств («Алиса»), арендовать волоконно-оптический кабель и по сервисной модели подключить свои подразделения через имеющих приемники («Боб») региональных операторов, которые, в свою очередь, подключены к магистральной сети квантовой связи. При применении технологии плотного спектрального мультиплексирования с разделением по длинам волн (DWDM) можно при отсутствии на линии усилителей даже использовать уже имеющееся «светлое» волокно. Если ВОЛС проложена до коммерческого ЦОДа, в нем можно разместить приемное оборудование (обязательно сразу на конце канала, иначе будет нарушена квантовая связность) и КРК станет еще одним коммерческим сервисом дата-центра. 

Для отработки технологий, алгоритмов и использования квантовых вычислений облака подходят хорошо. Клиент работает с размещенным в облаке квантовым компьютером по сервисной модели, так же, как, например, с высокопроизводительными вычислениями. При этом технические проблемы сопряжения классического и квантового компьютера ложатся на облачного провайдера. 

Пионер такого сервиса – компания IBM, запустившая в 2016 г. облачную платформу для квантовых вычислений IBM Quantum Cloud, тогда имевшую название IBM Quantum Experience. Квантовый компьютер стал общедоступным. Это был важный шаг на пути к демократизации квантовых вычислений.

IBM Quantum Cloud предоставляет доступ к квантовым симуляторам и универсальным квантовым компьютерам на основе вентилей, в том числе к 65-кубитному процессору Hummingbird. Для создания кубитов используются сверхпроводящие материалы, поэтому процессоры размещены в рефрижераторах для поддержания сверхнизких температур. 

В квантовом облаке предлагается ряд образовательных ресурсов и инструментов для изучения квантовых вычислений, в частности Quantum Composer для создания, визуализации и запуска квантовых схем и Quantum Lab, предоставляющий интерфейс Jupyter Notebook для написания и запуска квантовых программ. Интерфейс IBM Quantum Experience включает в себя квантовый язык программирования Qiskit для программистов, не разбирающихся в квантовой физике.

Другие представители Big Tech тоже развернули квантовые облака (quantum cloud): Amazon Braket, Microsoft Azure Quantum, Google Quantum Computing Service. В феврале 2024 г. специализирующаяся на коммерческих квантовых компьютерах канадско-американская компания D-Wave Quantum Inc. объявила о доступности через квантовый облачный сервис Leap прототипа квантового компьютера Advantage2 с более чем 1200 кубитами. В настоящее время на сайте компании говорится о 5000 кубитах с 15-сторонней связностью. Advantage2 позиционируется как первый квантовый компьютер, разработанный для бизнеса.

Квантовые облака делают квантовые вычисления доступными для широкой аудитории, включая студентов, исследователей и разработчиков. 

В России направление квантовых вычислений координирует «Росатом». Над платформой на сверхпроводящих кубитах работают МИСиС, МФТИ и Российский квантовый центр (рис. 2), над атомными кубитами (нейтральными атомами) – МГУ и РКЦ, над ионными кубитами (заряженными атомами) – ФИАН и РКЦ, над фотонными кубитами – МГУ и РКЦ. 

 

Компания Cloud X при поддержке «Росатома» разрабатывает концепцию квантового облака (Software-Defined Quantum Computing). Аргументы в пользу размещения квантовых компьютеров в облаке перечислил генеральный директор Cloud X Денис Хлебородов:

Кроме того, Д. Хлебородов отметил «естественную близость» квантовых компьютеров к большим объемам данных, которые могут быть использованы для обучения больших языковых моделей на основе квантовых вычислений. 

В проект заложена возможность использовать для квантовых вычислений любые платформы. Cloud X предлагает многоуровневую архитектуру, разделяющую низкоуровневые аппаратные компоненты (кубиты, контрольно-измерительное оборудование, управляющие процессоры) и высокоуровневую программную среду с REST API, обменом сообщениями и мониторингом (рис. 3).

Ключевая особенность – использование адаптеров для интеграции квантовых компьютеров разных производителей в единую экосистему, универсальный интерфейс для работы с различными квантовыми компьютерами и симуляторами квантовых вычислений. Платформа поддержит совместимость с классическими инструментами, такими как TensorFlow, PennLane и Julia, а также широкий набор библиотек (Qiskit, Cirq, Silq и др.), языков программирования (Python, C++, Q#) и квантовых ассемблеров (OpenQASM, QASM, f-QASM, e-QASM).

Для управления квантовыми вычислениями будет использоваться публичная среда разработки Cloud X QSDK, обеспечивающая интеграцию квантовых ресурсов с облачной инфраструктурой. Это позволит специалистам работать на разных уровнях – от низкоуровневого программирования на квантовых ассемблерах до высокоуровневых квантовых алгоритмов (Гровера, Дойча-Йожи, Шора).

Cloud X также обеспечит гибридную инфраструктуру, объединяющую классические вычисления (виртуальные машины, управляемые диски) и квантовые ресурсы. Оркестрация вычислений будет осуществляться через Cloud X Quantum Hybrid Jobs Container, а управление – через Cloud X Console, API и другие канальные приложения облака.

Пока это только проект, практической реализации нет. Единственная облачная платформа, предлагающая услуги квантовых вычислений, – Qboard от Российского квантового центра – в основном использует классический компьютер, эмулирующий квантовые вычисления. Это тоже важно, например, для написания использующих квантовые алгоритмы программ.

Впрочем, по запросу можно подключиться и к аппаратно-программному комплексу, состоящему из небольшого ионного квантового компьютера и облачной платформы для работы с ним. Квантовый вычислитель с двумя-пятью кубитами реализован на ионах иттербия в линейной ловушке Пауля.

* * *

В целом отставание в области квантовых технологий России удалось существенно сократить, а в области квантовых вычислений на платформах с кубитами на нейтральных атомах и ионах даже выйти в лидеры. Технологии КРК уже могут использоваться в коммерческой эксплуатации. 

А вот сервисные модели и квантовые облака еще предстоит развивать. Иначе заказчики не смогут понять, как использовать квантовые технологии. Хотя потенциальные области применения видны: прежде всего это задачи, связанные с перебором вариантов. 

Чуть ли не единственный представитель российского бизнеса, занимающийся квантовыми вычислениями, «Газпромбанк» тестирует использование технологий для оптимизации портфелей и анализа рисков. «Росатом» применяет квантовые вычисления для расчета оптимальных схем загрузки активной зоны реактора. Перспективным выглядит моделирование молекул новых лекарств и материалов, ускорение машинного обучения с помощью квантовых алгоритмов, а также использование квантовых вычислений в задачах логистики.

Без бизнеса тяжело вести научные исследования и решать стоящие перед учеными и разработчиками квантовых технологий проблемы. Не демонстрируя преимущества квантовых технологий, трудно заинтересовать бизнес. Получается замкнутый круг. На Западе локомотивом выступает Big Tech, в России – только госкорпорации. Наши ИТ-лидеры пока выжидают. Но так долго продолжаться не может. Квантовыми облаками надо заниматься, это в интересах не только государства, но и бизнеса.

Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!