Когда появятся квантовые компьютеры?

Квантовые технологии – новый тренд или просто маркетинговая уловка?

На рынках Европы, Азии и США квантовые технологии активно развиваются последние 10 лет, постепенно выходя из лабораторий в прикладную сферу. Речь идет не только о создании квантового компьютера, о котором много говорят в СМИ, но о совершенно новой инфраструктуре телекоммуникаций и информационной безопасности. Крупные технологические брокеры на новых рынках давно работают с этим направлением – как с основой для создания перспективных бизнес-моделей. В мире есть 8 глобальных кластеров, которые концентрируют ресурсы по разработке и внедрению квантовых технологий: на западном и восточном побережье США, в Европе, Великобритании, Китае, Японии, Австралии и России. Ключевые свойства квантовых технологий научно доказаны и даже экспериментально подтверждены: квантовая телепортация, высокий уровень безопасности передачи данных, новые вычислительные мощности, сверхскорость передачи данных, суперчувствительность квантовых сенсоров и др. Поэтому они могут найти применение в самых разных отраслях: транспортных системах, инфраструктуре умного города и интернета вещей, робототехнике, телеком-инфраструктуре, спутниковых системах связи. 

В чем принципиальное отличие квантовых технологий от классических информационных систем?

Квантовые технологии по-новому работают с информацией. Классические вычисления строятся по принципу двоичной логики и последовательных вычислений. Это значит, что компьютер совершает определенное количество последовательных операций за единицу времени. Соответственно, чем сложнее задача, тем больше операций происходит. Приведу простой пример. Если на пол рассыпались цветные бусы – черные и белые, то обычный ПК начнет перебирать все бусины, пока не найдет белую. Квантовый компьютер просто посмотрит на бусины и скажет: «Вот эта». Такой суперкомпьютер совершает вычисления за один машинный такт – в тысячи раз быстрее обычного ПК.

 Новые вычислительные мощности влекут за собой и новые угрозы. По прогнозам, настоящий квантовый компьютер может появиться уже через 10 лет. И его создание обесценит все современные средства шифрования данных. Именно поэтому необходимо заранее предусмотреть средства борьбы с данной угрозой. Суть классической криптографии в следующем. Расшифровка криптографических ключей величиной от 1024 бита и более занимает время, значительно превышающее срок актуальности информации. Вместе с тем, ее безопасность напрямую связана с вычислительными возможностями дешифратора и не является абсолютной – хакерские взломы и кибератаки были всегда. Квантовый компьютер вскроет все криптографические ключи глобального интернета всего за один год – также быстро, как найдет белую бусину. И это очень серьезная угроза для всего человечества.

Соответственно, появление квантового компьютера напрямую связано и с появлением новых систем безопасности?

Скорее развитие квантовых коммуникаций в целом связано с поиском принципиально новых подходов к архитектуре криптографических систем. Мы вполне можем говорить о кризисе современной системы информационной безопасности. Дело Эдварда Сноудена, Джулиана Ассанжа, вирусы Stuxnet, Duqu и Flame, используемые как кибероружие, взломы и хакерские атаки на правительственные и частные системы передачи данных, проект создания закрытой внутриевропейской коммуникационной сети – с одной стороны это классическая политическая игра, но с другой – реальные проблемы с сетевой безопасностью. Ожидается, что к концу 2017 на борьбу с интернет-преступлениями потратят уже $120 млрд. По оценке BCG рынок безопасности киберфизических систем к 2020 г. достигнет 389 млрд, а к 2035 г. – 2,1 трлн с ростом 15% год.

Квантовые технологии могут предложить новые средства защиты и шифрования данных?

Да, альтернативой классической криптографии может стать квантовая криптография. Это вообще новый принцип работы систем информационной безопасности. Классическая криптография – это математика, сложные алгоритмы. А квантовая криптография работает на физических принципах. Информация передается в линиях оптоволоконной связи при помощи частиц света – фотонов. Фотоны имеют разные состояния. Использование этого физического состояния и дает эффект квантовой криптографии.

Можем ли мы говорить в таком случае о 100%-защищенной сети связи?

Да, и в этом принципиальное отличие квантовой криптографии. Представим, что преступник решил перехватить информацию – не важно, это ваши личные данные в Facebook или секретные документы в закрытом канале связи. По законам квантовой физики эта информация просто разрушается в канале – так же, как разрушается квантовая частица. Поэтому никакие вычислительные средства не смогут раскрыть передаваемый ключ. Преступник физически не сможет добраться до информации. По экспертным оценкам, переход на квантовые системы безопасности будет совершен уже в ближайшие 5-8 лет.

Кроме безопасности, существует проблема накопления данных. Аналитики считают, что к 2020 году количество данных в мире вырастет до 40 Зеттабайт, а это значит, что на каждого жителя Земли придется 5500 Гб данных. Квантовые технологии могут решить эту проблему?

Несколько лет назад на тренд Big Data мировое сообщество возлагало большие надежды. Но эра больших данных так и не наступила. Оказалось, что мы не можем обрабатывать эти данные – элементарно не хватает вычислительной мощности, которая стоит больших денег, а получаемый результат зачастую не оправдывает ожиданий и требует дополнительных аналитических выводов и интерпретаций со стороны человека. Современная вычислительная техника во многом достигла пределов своих возможностей. И в этом смысле Big Data стала драйвером роста новых технологий – квантовый компьютер и другие квантовые технологии частично могут решить проблему больших данных с точки зрения обработки и хранения.

Если у квантовых технологий такой потенциал, почему мы еще не пересели за суперкомпьютеры?

Любая научная идея сталкивается с технологическими и рыночными барьерами. Пока решения не доведены до коммерческого уровня – на это нужно время. Мы меняем бизнес-модели предоставления услуг в самых разных областях – от госсектора до телекома. Появляется новое оборудование, новый софт, новые сценарии применения технологий. Нужно постоянно доказывать конкурентоспособность новых решений – они намного дороже предыдущих. Например, в 2011 году канадская компания D-Wave Systems продала прототип квантового компьютера за 10 миллионов долларов авиастроительному концерну Lockheed Martin. D-Wave еще с 2007 года занимается этими разработками, но назвать созданный прототип полноценным квантовым компьютером никто не может. Еще одна проблема коммерческого внедрения – в отсутствии международных технологических стандартов.

Получается, что рынок не готов к появлению новых решений? 

Не совсем так. На эти технологии пока нет стандартов, но сейчас у игроков мирового рынка квантовых коммуникаций есть отличный шанс первыми освоить новую нишу. Обычно на высокотехнологичных рынках мы работаем в рамках чужих стандартов. Сегодня у российских разработчиков появилась возможность написать свои правила игры. У нас есть материально-технологическая база, научная экспертиза, опыт применений решений, которые позволяют задавать тон если не на глобальном рынке, то на нескольких региональных – на Евразийском пространстве, в странах БРИКС и ШОС. По экспертным оценкам, квантовые технологии сформируют новый большой рынок телекома, который может полностью заменить существующую инфраструктуру. Второй мощный тренд – это региональность. Есть подозрения, что в новой телеком-инфраструктуре, которая сложится в ближайшие 10-15 лет, возникнут новые региональные зоны со своими стандартами. Именно в области стандартов и развернется конкурентная борьба на этих рынках.

Любые изменения связаны с финансовыми вложениями. Сколько придется заплатить, и готовы ли к этому игроки, например, российского рынка?

Есть несколько уровней, за которые надо платить. Во-первых, разработка. В России есть три ключевых центра разработки по квантовым коммуникациям, которые имеют собственные разработки: в Санкт-Петербурге Университет ИТМО и два в Москве – Российский квантовый центр в Сколково и МГУ. Чтобы сделать из разработки технологию и конечный продукт нужно потратить порядка 40-200 млн рублей. Сегодня на мировом рынке уже продаются коммерческие решения устройств рассылки квантового ключа стоимостью порядка 100 тысяч долларов. Российская компания «Квантовые коммуникации», созданная на базе Университета ИТМО, также продает собственные устройства. Но разрабатывать новые технологии недостаточно — повторю, что нужен российский стандарт. В противном случае к нам просто придут западные корпорации и смогут навязать операторам свое оборудование и свои условия.

Во-вторых, нужно оплачивать новую инфраструктуру – а это совсем другие деньги. Прокладка оптоволокна, строительство типовых коммуникационных узлов, магистральные узлы доступа, системы управления и пользовательские интерфейсы – все это стоит сотни миллиардов рублей и может строиться десятилетиями. В таком долгосрочном проекте должно участвовать и государство, и крупный бизнес. Понятно, что новая инфраструктура появится не сразу. Создание квантовой сети возможно путем разворачивания пилотных проектов – участков, заменяющих классическую инфраструктуру. Такие проекты может осилить и частный бизнес.

То есть квантовые сети уже строятся и на территории России? 

Да, один из таких примеров — партнерство университета ИТМО с компанией «СМАРТС» (прим. российский оператор, преимущественно предлагает услуги фиксированной связи, штаб-квартира в Самаре). В 2016 году они запустили проект разворачивания магистральной квантовой телекоммуникационной сети в европейской части России, а в последствии и на евразийском пространстве. Сегодня это один из самых масштабных проектов в мире, реализация которого потребует несколько миллиардов рублей.

Планируется разворачивание телекоммуникационных узлов и ЦОДов, оснащенных квантовымий технологиями, которые обеспечат новое качество связи и ИТ-инфраструктуры – своего рода квантовый VPN и квантовые облака. В итоге клиент получит беспрецедентное качество услуг связи: гарантированную безопасность и надежность.

Конечно, на начальном этапе такие эксклюзивные услуги стоят дорого. Их потребителями являются государство, спецслужбы и крупные корпорации, например, банки. Они обходятся в несколько раз дороже, чем классические услуги связи. Но со временем появляется эффект масштаба за счет наращивания пользователей на построенной инфраструктуре. Поэтому либо операторы в будущем меняют инфраструктуру, либо арендуют ее у того, кто первый ее построил.

Есть ли аналогичные проекты за границей?

В США развивается масштабный проект прокладки по периметру страны квантовой сети по ЦОДам крупных ИТ-компаний: Google, Amazon, Oracle. Дата-центры используются как точки обмена трафиком, между ними прокладывают квантовую сеть. В будущем эти супер-безопасные каналы связи можно будет продавать или сдавать в аренду. В Китае уже протянута ветка Шанхай-Пекин на 2 тыс. км, в Пекине по периметру города строятся квантовые хабы – точки входа для квантовой сети. Эту сеть отдали для тестирования и отработки бизнес-моделей коммерческим компаниям.

Как еще квантовые коммуникации изменят бизнес операторов связи?

У квантовых коммуникаций есть более широкие области применения, чем безопасность каналов связи. Существует несколько дополнительных эффектов, которые в будущем могут изменить работу с данными и сам принцип связи. Например, квантовые коммуникации позволяют отследить и физически задать потоки передаваемой информации в заданных периметрах, а также производить синхронизацию разных устройств, что позволит пользователям и операторам более эффективно управлять и отслеживать транзакции, пакеты информации. Квантовые сенсоры позволяют получить более точную и эффективную навигацию и позиционирование. Спутанность и квантовая телепортация в перспективе могут привести к смене парадигмы передачи и хранения информации, заменив террабайты (в виде нулей и единиц) на хранение и передачу состояний вещества.

Квантовая телепортация – это особый способ передачи данных?

Квантовая телепортация представляет из себя бесканальный способ передачи данных. В ее основе лежит эффект квантовой запутанности. Мы можем определенным образом спутать две частицы, и на любом расстоянии друг от друга они будут вести себя идентично. Если меняется состояние одной частицы, то мгновенно меняется и состояние другой. Сейчас эти эффекты используются как один из протоколов для квантовой криптографии. Теоретически мы можем телепортировать информацию о состоянии объекта в любое место, если сможем разнести спутанные частицы туда, где нет базовых станций, оптоволоконных линий или спутников. И эту информацию невозможно будет взломать, украсть и расшифровать.

Есть ли идеи о том, как можно применить наработки квантового интернета в мобильных сетях LTE или 5G? Или пока квантовый интернет – это только про проводную связь?

Сейчас мы говорим о гибридных технологиях, когда на классических сетях достраивается квантовая часть. В итоге получается классическое оптоволокно с классическими услугами, но обладающее новыми свойствами за счет квантовых технологий. Уже есть примеры использования таких сервисов для защищенного ВИП-банкинга, на выборах, защиты каналов передачи персональных генетических данных.

В сотовой связи квантовые коммуникации могут также обеспечивать оптический канал между базовыми станциями, ЦОДами и центрами управления. При этом 5G в гибридных сетях – важная часть, обеспечивающая связь с клиентскими устройствами в условиях быстрого развития киберфизической среды (умные устройства, М2М и др.)

Второй способ передачи информации – по открытому пространству через спутники. В августе 2016 Китай запустил на орбиту первый в мире квантовый спутник «Мо-цзы». Как сообщает китайское информагентство, уже установлена устойчивая связь спутника с экспериментальной платформой для квантовой телепортации в Тибете. К 2025 г. планируется запуск коммерческой квантовой связи.

Спутниковая квантовая связь – в чем ее преимущества?

Спутниковая связь позволяет решить главную проблему квантовой связи – это передача сигнала на небольшие расстояния: в среднем 100-150 км в пределе 250-300 км. Поэтому сегодня каждые 250 км необходимо ставить новое устройство, передающее квантовый ключ. Это технологическое ограничение решается двумя способами: улучшение технологии инженерными способами и создание квантового повторителя, который избавит от необходимости переводить оптический сигнал в электрический и дублировать набор оборудования на этих участках. Этот повторитель может появиться уже в ближайшие 5-7 лет.

Есть опасения, что создание новой инфраструктуры квантовых коммуникаций – слишком дорогой и долгосрочный проект?

Во всем мире в разработку и внедрение квантовых технологий вкладываются большие деньги – как государственные, так и частные. Не думаю, что эти проекты бросят по полпути. Деньги должны отбиваться. Рынок квантовых коммуникаций должен быть сформирован – в ближайшие полтора технологических цикла.

Оставайтесь на связи!