Квантовый компьютер — одна из самых обсуждаемых и долгожданных технологических инноваций. В прошлом году компания Google продемонстрировала миру свою разработку, которая смогла решить задачу, недоступную классическому компьютеру. IBM, Huawei, Microsoft, Intel — все мировые ИТ-гиганты инвестируют огромные суммы в собственные проекты квантовых вычислений. В России квантовый компьютер должен появиться в 2024 году. Какие риски и возможности повлечет за собой это изобретение, решит ли квантовая криптография проблему кибербезопасности и где произойдет вторая квантовая революция — обо всем этом рассказывает Руслан Юнусов, генеральный директор Российского квантового центра (РКЦ), в интервью партнеру Николаю Легкодимову.
Руслан, в последний раз, когда мы виделись в РКЦ, ты сказал, что твоя мечта — создать квантовый компьютер. Максимально простым языком объясни, что такое квантовый компьютер?
Этот вопрос мне задают часто. Давайте разберемся, чем квантовый компьютер отличается от классического? Наверное, он должен работать на законах квантовой физики. Эти законы противоречат нашему бытовому опыту. Например, в квантовой физике есть понятие «суперпозиция», когда частица может одновременно находиться в двух местах, или «запутанность» — это некая мистическая связь, которая распространяется быстрее скорости света. Такого в нашем мире нет, а в квантовом — есть. Если взять эти свойства, то можно построить квантовый компьютер. Но как?
Внутри обычного компьютера находятся регистры, которые принимают значение 0 или 1. Таких регистров очень много, например, в твоем телефоне их несколько миллиардов. В каждый момент времени это как большая-большая книга, в которой расписаны нули и единицы. В квантовом компьютере тоже есть свои регистры, они называются кубиты. В обычном компьютере это биты, в квантовом — кубиты. Разница между классическим и квантовым компьютером заключается в том, что квантовый кубит находится сразу в состоянии и нуля, и единицы — та самая суперпозиция.
Разница между классическим и квантовым компьютером заключается в том, что квантовый кубит находится сразу в состоянии и нуля, и единицы, а значит, он сможет решать задачи очень быстро.
Казалось бы, подумаешь, тут одно состояние, а тут — два. Но если мы будем увеличивать систему, то количество возможных состояний, в которых одновременно находится квантовый компьютер, будет расти очень-очень быстро: 2, 4, 8. В 10 кубитах будет уже 1000 состояний, а в 20 кубитах — миллион и так далее. Такая суперпараллельная система и есть квантовый компьютер. Логично, если он сразу во всех состояниях, то он сможет решать задачи очень быстро. Он будет сразу обрабатывать все возможные варианты. Это понятие «сразу» отличает квантовый компьютер от классического, которому нужно решить сначала одну задачу, один вариант, потом второй, потом третий, потом найти лучший. Квантовый компьютер перебирает сразу все варианты и смотрит, какой лучше.
Если ты помнишь, сначала были процессоры, которые умеют хорошо считать задачи на простых числах. После этого появились сопроцессоры. По-моему, на 386-м IBM появился сопроцессор и стал считать числа с плавающей точкой — класс решаемых задач вырос. Потом еще через несколько лет появились графические процессоры, которые были намного быстрее на определенных типах задач. Сейчас в наших компьютерах, смартфонах находится сразу три вида процессоров: классический процессор, самый первый; сопроцессор и графический. Квантовый процессор можно рассматривать как четвертый тип процессора, который решит, конечно, не все задачи в нашем мире, но определенный класс задач будет решать намного-намного эффективнее.
Например? Расскажи, какие встречающиеся в бизнесе или повседневной жизни задачи ждут появления квантового компьютера?
Представим, у нас есть коммивояжер или автомобиль, которому надо развезти 100 посылок по 100 точкам. Как ему выбрать оптимальный маршрут? Вроде, кажется, все просто: Яндекс-навигатор посчитает. Но на самом деле сложность в такой задаче растет экспоненциально быстро с ростом количества точек. В лоб решить задачу — перебрать все возможные варианты на 100 точках — не получится. Квантовый компьютер именно такие классы задач, когда надо перебирать много вариантов, будет решать хорошо.
Если продолжить тему логистики, например, Airbus объявил конкурс Quantum Challenge, для которого обозначил определенные задачи. Например, как упаковать багаж наиболее эффективным образом? Представим, у тебя есть багаж, и тебе надо упаковать разные прямоугольные коробочки разного размера, которых 100 штук. Обычный компьютер это не решит, а квантовый сможет.
Есть и другие задачи, например, моделирование новых материалов. Понятно, что материалы состоят из атомов и молекул, и именно атомы и молекулы определяют свойства вещества. Хорошо бы нам построить вещество с заданными свойствами.
Представим, что надо упаковать 100 разных прямоугольных коробочек разного размера. Обычный компьютер это не решит, а квантовый сможет.
Например, никто нам не запрещает сделать автомобиль таким, чтобы ты приехал домой, взял его и поставил на полку — чтобы он был легкий. Физика не запрещает, но делать мы не умеем. Моделирование новых веществ, физических веществ с новыми свойствами — одна из задач, которая также будет посильна для квантового компьютера.
Там, где физика в микромире, там и химия — например, моделирование новых лекарств или моделирование катализаторов для химии. Вроде бы химики занимаются катализаторами уже несколько сотен лет, но до сих пор не решена задача, как подобрать правильный катализатор по-честному. Все ищут случайным перебором, как-то полуосмысленно. Но так, чтобы «есть химическая реакция, дайте мне хороший катализатор с гарантированным результатом», — эта задача не решена. Квантовый компьютер опять же, так как он описывает квантовый мир, сможет решать и такого типа задачи.
А в какой области, индустрии ты ожидаешь, что будет именно тот самый пресловутый disruption от квантовой технологии?
Если бы людям, которые строили первые компьютеры, тогда сказали, что основные вычислительные ресурсы на Земле будут потрачены на индустрию игр, они подумали бы, что это полная ересь.
На самом деле мы сейчас не знаем, зачем нам нужен квантовый компьютер. Мы не знаем, где от него будет наибольшая польза. Те задачи, про которые я сказал, мы про них уже знаем, и он их решит. Но так же, как с классическим компьютером, скорее всего, квантовый компьютер решит гораздо больший круг задач, причем тех, которые мы не видим сегодня.
Когда создавали классические компьютеры, были определенные задачи, которые надо было посчитать. Было квалифицированное мнение, что одной тысячи компьютеров хватит на всю Землю, и больше не надо. Я думаю, люди, которые строили первые компьютеры, если бы им тогда сказали, что основные вычислительные ресурсы на Земле будут потрачены на индустрию игр, сказали бы, что это полная ересь.
Так же и с квантовым компьютером: очень многие великие физики считают, что да, мы понимаем сейчас какие-то узкие задачки, но на самом деле есть большой класс задач, который мы увидим, только когда начнем играться с тем квантовым компьютером, который будет построен. Поэтому сказать точно, где будет disruption, сегодня невозможно. Это черный лебедь — те события, которые мы предсказать не можем, но мы знаем, что они наступят рано или поздно и точно все перевернут.
Интересная мысль. Хорошо, с компьютерами разобрались. Еще одно часто встречающееся словосочетание — это квантовая коммуникация. Что это такое?
Я расскажу про еще одну задачу, которую может решить квантовый компьютер, и будет понятно, зачем нужны квантовые коммуникации. Квантовый компьютер иногда называют информационной бомбой XXI века. Почему? Потому что есть алгоритмы Шора и другие, которые в будущем позволят взламывать системы шифрования, используемые сегодня. Наши классические системы шифрования общедоступны, они посильны для квантового компьютера — это означает не только возможность украсть ваши деньги, но в будущем и украсть, например, ваше здоровье: взломать управление кардиостимулятором или иными приборами, которых будет только больше. Как у любой медали, у квантового компьютера две стороны: это не только преимущество новых материалов, логистики, оптимизации, но и риск.
Наши классические системы шифрования посильны для квантового компьютера — это означает не только возможность украсть ваши деньги, но в будущем и украсть, например, ваше здоровье: взломать управление кардиостимулятором или иными приборами.
Что делать с этим риском? Одно из возможных решений — это квантовая коммуникация. Если квантовый компьютер здесь меч, то квантовые коммуникации — это щит. Используя те же самые качества, которые присущи квантовому миру, можно взять единичные частицы — квант света — фотон и записать на один фотон бит информации. Потом этот один фотон отправить, причем отправить его можно через существующую инфраструктуру в обычное оптоволокно, лишь бы ему там другие фотоны не мешали. Если он летит, по дороге сделать с ним что-то не получится: ты не можешь сразу считать всю информацию, которая в нем закодирована, не можешь дублировать и незаметно подменить ее. Любая такая атака сразу будет видна, и сеанс будет остановлен. На уровне фундаментальных законов физики мы можем защитить коммуникацию. Никакие квантовые компьютеры, никакие алгоритмы ни сейчас, ни в будущем взломать эту систему не смогут до тех пор, пока мы верим в квантовую физику, а на сегодня это самая точная наука, которую знает человечество. Квантовые коммуникации — это когда мы защищаем информацию с помощью физических законов.
Если провести аналогию с шутливой детской загадкой про то, может ли идеальный снаряд пробить идеальную броню, квантовый компьютер не может взломать квантовую криптографию, так?
Да, квантовую криптографию взломать невозможно. Другой вопрос, что квантовая криптография не решает все вопросы кибербезопасности, все-таки это защита между двумя точками. Что происходит внутри здания, социальная инженерия и прочие способы добывания информации, конечно, квантовая криптография не закроет, но свой определенный пул задач она решает.
Со всеми этими преимуществами, принципиальной невзламываемостью почему мы сегодня все еще используем традиционные методы криптографии? В чем ограничения квантовой криптографии?
Это очень хороший вопрос. У нас существуют сегодня технологические ограничения. Ситуация чем-то похожа на ситуацию начала XX века с обычными коммуникациями, когда была большая проблема, как обеспечить телефонную связь между двумя побережьями США, например. В городах все работало, а между побережьями сигнал угасал достаточно быстро. Проблему решили. Bell Labs ее решила.
Квантовую криптографию взломать невозможно.
У нас сегодня примерно такая же ситуация. Ограничение квантовых коммуникаций — это порядка 100 км между двумя точками, и дальше ты обязан иметь некий защищенный сервер, в который нельзя допустить физического вторжения: расшифровываешь информацию, зашифровываешь заново, и так каждые 100 км. Конечно же, это не очень удобно. Плюс, это достаточно дорого сегодня. Для каких-то узких приложений квантовые коммуникации уже сегодня можно применять, но для того, чтобы это широко вошло в мир, нужно чтобы это было дешево, быстро и на достаточно далекое расстояние.
На горизонте 10–15 лет примерно есть понимание, как мы будем двигаться и в сторону удешевления, и в сторону увеличения расстояния. Но так, чтобы это был масс-маркет, конечно, надо пройти еще много этапов.
Ограничение квантовых коммуникаций — порядка 100 км между двумя точками. Конечно же, это не очень удобно и достаточно дорого.
Какие практически примеры по квантовым коммуникациям есть уже в России? Если почитать, то Китай хвастается квантовым каналом через спутник, видимо, это все еще в экспериментальном режиме. Что есть в России из того, что можно уже потрогать? Где можно поговорить с человеком и на каком расстоянии по телефону, защищенному квантовой криптографией?
В России сегодня ситуация на уровне пилотных проектов. Ведущие банки, например, «Газпромбанк», Сбербанк, уже тестируют такие линии связи. Мы с ними работаем, одна из линий работает 24/7, соединяет два ЦОД Сбербанка. Технология сейчас обкатывается. В ближайшие годы она должна пойти на магистральные решения — соединить Москву и Питер. Наверное, на горизонте 5 лет можно рассчитывать на какие-то первые реальные коммерческие внедрения. Представим, что Сбербанк и ключевые его клиенты будут защищены квантовой коммуникацией, — это вполне реальная картинка на горизонте до 5 лет. Это имеет под собой экономическую составляющую, и технологии для таких узких решений уже существуют.
Какая экономика у этих пилотов сегодня? Стоит ли овчинка выделки, есть ли какие-то индикативные цифры? Подозреваю, что это очень недешевое упражнение.
Каждое соединение сегодня — это 5–10 миллионов рублей — соединить две точки. В будущем это все должно стать сильно дешевле. Уже сегодня есть понимание, как, например, во внутригородских сетях, снизить эту капитальную составляющую в 10 раз и даже больше. Это будет не 5 миллионов, а 500 тысяч или 300 тысяч рублей. Такое снижение стоимости, понятно, откроет рынки. За 300 тысяч рублей защищенные каналы к Сбербанку готовы будут провести не 10 клиентов, а, может быть, уже 10 тысяч.
Каждое соединение — это 5–10 млн рублей. В будущем должно стать сильно дешевле.
Понял. А расскажи еще про такое понятие, как постквантовая криптография? В чем ее отличие от квантовой криптографии?
Постквантовая криптография — это, как ни странно, классическая криптография, но построенная на новых принципах таких, которые, как ожидается, будут сложными для расшифровки квантовому компьютеру. Т.е. математики сейчас трудятся над тем, чтобы создать такое шифрование, такое софтверное решение, которое будет учитывать возможности квантового компьютера.
Если с железным решением (основанном на свойствах фотонов, о которых мы говорили в начале) мы договорились, что никогда и никак взломать нельзя, то софтверные решения квантовый компьютер, скорее всего, не сумеет взломать в ближайшее время, т.е. 100%-ной уверенности в этом нет.
Я думаю, такие внедрения будут очень быстро развиваться. Мы, например, тестируем такую технологию с одним из клиентов, которому надо защищать персональные медицинские данные: фактически у тебя личный кабинет, в который ты входишь, все анализы, всё-всё про тебя и твое здоровье будет защищено постквантовыми алгоритмами. Использовать постквантовую криптографию или железную квантовую криптографию сегодня нужно, в том числе, потому что ты таким образом защитишь долгоиграющую информацию в будущем.
Использовать постквантовую криптографию или железную квантовую криптографию сегодня нужно, в том числе, потому что ты таким образом защитишь долгоиграющую информацию в будущем.
Руслан, ты уже больше 7 лет возглавляешь РКЦ. Можешь подробнее рассказать, как вы появились, какой у вас сейчас фронт работ, кому это нужно? Какие объемы финансирования вы привлекаете? Откуда это финансирование — частное, государственное?
Квантовый центр для России — это необычная организация, потому что он, с одной стороны, занимается фундаментальными исследованиями в квантовой физике, а с другой — не является государственным. Для России это непривычный формат. Мы частная организация, однако мы активно работаем с государством, мы привлекаем много грантов.
Ты спрашивал про деньги. Бюджет привлечения — более 3 миллиардов рублей, которые мы уже привлекли. Из них государственных, наверное, около 1 миллиарда. Мы активно привлекаем и частные деньги.
Я сказал, что у нас есть фундаментальная наука, но вторая наша достаточно большая ветвь — это квантовые технологии. У нас есть шесть стартапов в разных областях. В основном это сенсорика и коммуникации, потому что квантовый компьютер, как мы говорим, только-только стартует в России. Более того, наша команда участвовала в написании дорожной карты по квантовым технологиям, потом по квантовым вычислениям. Эта карта написана. Сейчас планируется ее активная реализация на горизонте до 2024 года. До 2024 года мы должны построить квантовые компьютеры, которые будут решать примерно те же задачи, что сегодня уже решены Google и прочими лидерами в мире.
Бюджет привлечения в РКЦ — более 3 млрд рублей. Из них государственных — около 1 млрд. Мы активно привлекаем и частные деньги.
Нам надо очень быстро нагонять, потому что, хотя в России очень хорошая научная школа, у нас, конечно, накопилось достаточно сильное отставание. Я думаю, что до конца 2024 года мы покажем работающие процессоры, которые будут что-то решать и быстрее, чем классические компьютеры. Уже после 2024 года мы будем переходить к возможному решению экономически эффективных задач.
Ты правильно спросил: «Кому это надо?». В дорожной карте достаточно большой блок посвящен тому, что надо проводить организационную работу с компаниями уже сегодня. Современные крупные компании могут не знать, что им нужен квантовый компьютер, даже если бы он был. Объяснить им просто так тоже не получится — для этого надо узнать специфику их работы. В течение пяти лет мы начнем изучать их бизнес-процессы, их потребности. Потом их задачи надо будет переложить на язык квантового компьютера, что тоже нетривиальная задача. К тому моменту, когда будет построено «железо», мы уже должны знать, какой софт на него загрузить.
Сегодня крупные компании могут не знать, что им нужен квантовый компьютер, даже если бы он был.
2024 год — это амбициозный дедлайн для квантовой революции. Все-таки если с учетом того накопленного отставания, о котором ты сказал раньше, эта революция будет в России, то она случится одномоментно во всем научно-производственном коммьюнити или все-таки изначально будет на Западе?
Сегодня мировыми лидерами в квантовых вычислениями являются американцы. Достаточно много усилий прикладывается и в Европе, и в Китае, и сейчас стартует кампания в России. Я думаю, конечно, начнется эта революция все-таки не у нас. Наша задача — не отстать от нее и быть в группе лидеров, а не отстающих. Не просто наблюдать, как у них хорошо получается, а быстро-быстро подхватывать.
Квантовый компьютер — это же не узкая область, это будет большая индустрия. В каких-то областях этой индустрии надо показывать лучшие в мире результаты. На это ориентирована дорожная карта: за пять лет резко сократить отставание, найти какие-то узкие ниши, где мы будем лучшими. Скорее всего, это будут алгоритмы, софт, теория, потому что здесь барьер технологического входа отсутствует, а в хардверном направлении он достаточно высокий. Это займет, конечно же, больше времени. Но у нас есть понимание, как в этом направлении двигаться.
Расскажи чуть подробнее, чем занимаются стартапы, которые сейчас функционируют на территории Российского квантового центра. О чем они?
Как я уже сказал, сегодня это две большие области — коммуникации и сенсоры. Если более подробно, то в коммуникациях у нас есть две технологии. Одна — тот самый хардверный путь решения проблемы защиты информации, квантовая криптография. И мы работаем уже с крупными компаниями по пилотному внедрению — это первая часть. Вторая — это как раз постквантовая криптография. Мы уже тестируем с одной из компаний защиту личного кабинета с помощью постквантовых алгоритмов.
Вторая большая область — это сенсорика. Например, сверхчувствительные сенсоры магнитного поля. Мы планируем построить такой сенсор, который можно будет применять при комнатной температуре без охлаждения и измерять, например, магнитные поля человека. Можно изучить магнитное поле сердца. К сожалению, здесь есть очень сильный конкурент — это обычная кардиография, метод давно проверенный и дающий какие-то результаты. Магнитное поле более информативное, но на сегодняшнем этапе есть определенные трудности. Тем не менее, имея такие сенсоры, можно построить различные нейроинтерфейсы.
Стартапы РКЦ занимаются двумя большими областями: коммуникациями и сенсорикой.
Это мечта не только медицины, это мечта любого геймера. Гигантская индустрия ждет, когда придут инвазивные нейроинтерфейсы, когда ты можешь управлять устройствами, заходить в интернет и делать что угодно, не используя ни мышку, ни клавиатуру. Ты знаешь, мышка и клавиатура уже больше полувека назад придуманы. Мы до сих пор пользуемся тем, что придумано тогда. Все ждут чего-то нового. Так вот нейроинтерфейс — это новая история. Мы как физики думаем, что в ближайший год покажем такую чувствительность, которая позволит снимать нейронный сигнал через наш череп не инвазивно, т.е. ничего не повреждая. Конечно, если мы этого добьемся, это будет прорыв.
Мы как физики думаем, что в ближайший год покажем такую чувствительность, которая позволит снимать нейронный сигнал через наш череп не инвазивно, т.е. ничего не повреждая.
И с точки зрения рисков тоже, потому что одно дело, ты приходишь в медицинский кабинет и знаешь, что сейчас у тебя будут снимать этот сигнал не инвазивно. Другое дело, когда ты откинулся в метро на спинку сидения, и у тебя считали всё против твоей воли. Этот риск твоей командой рассматривается?
Это очень интересный вопрос, мы об этом не думали, потому что мы понимаем техническую сложность осуществления. Но то, что технически сложно сегодня, когда-нибудь будет просто в будущем. С точки зрения физики твоя идея очень интересна, она ничему не противоречит. Вполне возможно так встроить датчики — если ты откинулся, тебя прочитали.
Руслан Юнусов
Генеральный директор Российского квантового центра
Руслан закончил физический факультет МГУ, а также аспирантуру в ИБХФ РАН и защитил кандидатскую диссертацию. В АНХ при Правительстве РФ получил второе высшее образование по специальности «финансы и кредит». В 2017 году получил степень Executive MBA в бизнес-школе INSEAD.
В настоящее время является генеральным директором Российского квантового центра (РКЦ), который проводит фундаментальные и прикладные исследования в области квантовой физики, занимается созданием и коммерциализацией новых технологий и устройств, основанных на использовании квантовых эффектов.
В 2019 году Руслан возглавил команду по разработке дорожной карты «Квантовые технологии» в рамках Национальной программы «Цифровая экономика».
