— Игорь Васильевич, что такое квантовый компьютер и в чем его отличие от обычного?
— Разница заключается в принципах работы. Обычный компьютер оперирует битами, которые имеют всего два состояния: ноль или один, «да» или «нет». А квантовый компьютер оперирует кубитами — это физические системы, которые могут находиться не только в состоянии «0» или «1», но и в суперпозиции этих состояний. То есть один кубит может быть одновременно и нулем, и единицей.
Именно это свойство позволяет квантовому компьютеру проводить параллельные вычисления. Если обычный компьютер последовательно перебирает варианты, то квантовый просчитывает их все одновременно. Это дает экспоненциальный прирост скорости для определенных классов задач — тех, на которые у обычного компьютера ушли бы сотни лет. Например, разложение больших чисел на простые множители, моделирование сложных молекул и т. п. Для простых же операций использование квантового компьютера будет слишком дорогим.
Различаются и методы определения результата. Обычный компьютер всегда дает точный и предсказуемый ответ, а квантовый — лишь наиболее вероятный. Чтобы убедиться в правильности, один и тот же алгоритм запускают многократно. В итоге строится гистограмма: тот ответ, который выпадает чаще всего, и считается верным.
— Существует несколько подходов к созданию квантовых компьютеров. В чем отличия?
— Квантовые компьютеры различаются прежде всего тем, какие физические объекты используются в качестве кубитов. От этого зависят их сильные и слабые стороны.
Самый распространённый тип — сверхпроводящие кубиты. Они быстры и технологичны, но требуют охлаждения почти до абсолютного нуля (холоднее, чем в открытом космосе) и сильно страдают от шума (теплового, влияния других кубитов). Квантовые компьютеры на ионных ловушках дают высокую точность операций и дольше удерживают квантовое состояние, но работают медленнее сверхпроводников.
Фотонные системы не нуждаются в криогенном охлаждении и перспективны для квантовых коммуникаций, но они пока сложны в масштабировании. Перспективными считаются квантовые компьютеры на нейтральных атомах. Там можно создавать сотни-тысячи кубитов и сравнительно долго сохранять квантовые состояния, но операции сложнее контролировать.
Пока ни один тип не достиг практического превосходства в реальных задачах Стабильно работающих, безошибочных квантовых компьютеров, которые можно было бы просто включить и использовать как обычный сервер, пока не существует. Это всё еще экспериментальные установки. Предстоит совершить ряд фундаментальных физических прорывов (например, в области коррекции ошибок) прежде, чем технология выйдет за пределы лабораторий.
— И в какой перспективе это может случиться?
— Предсказать сложно. То, что старые системы шифрования всё еще работают и ваши деньги в банках в безопасности, — лучшее доказательство того, что квантовая эра не наступила.
Всю гонку разработок подстегивает угроза взлома. Как только появится достаточно мощный квантовый компьютер, он сможет взломать любые современные ключи шифрования, используемые во всём мире. Поэтому лидеры — США и Китай — вкладывают огромные средства. Общий объём мировых инвестиций в 2025 году оценивалтся примерно в 33 млрд долларов.
Россия подключилась к этой гонке позже, но сейчас мы активно наверстываем упущенное. Финансирование идёт по схеме «пятьдесят на пятьдесят»: половину даёт государство, половину — крупные корпорации, в первую очередь — «Росатом». Например, с 2020 по 2024 год на дорожную карту квантовых вычислений было направлено около 24 млрд рублей. В 2025 году только на квантовые вычисления выделено порядка 15 млрд, плюс средства на сенсоры и коммуникации.
При этом развиваются все направления. Например, в Физическом институте им. Лебедева и Российском квантовом центре работают с ионами и нейтральными атомами, а в НИТУ МИСиС — со сверхпроводниками. Также развитием квантовых технологий занимаются ФИАН, МГУ, МФТИ, МГТУ имени Баумана.
— Есть ли уже какие-то практические проекты?
— Да, в частности, у «Росатома» и торговой сети «Магнит». Они решают задачу оптимизации логистики — как наиболее эффективно выстроить отгрузки товаров. По их расчетам, применение квантовых алгоритмов может повысить эффективность планирования на 30–40%.
Также важный практический проект — квантовые коммуникации. РЖД планирует связать всю страну, от Запада до Востока, защищенными квантовыми сетями для передачи ключей в рамках проекта «Экономика данных». На это до 2030 года планируется направить около 70 млрд рублей.
— Насколько знаю, в ПГУТИ как раз готовят специалистов для реализации данного проекта. Расскажите об этом подробнее.
— Да, на факультете оптических и квантовых коммуникаций ПГУТИ мы готовим специалистов для работы с квантовыми сетями. Обучение строится на сплаве трех дисциплин: углубленная физика, высшая математика и программирование. У нас есть отличная лаборатория по генерации квантовых ключей. Мы со студентами разбираем, как строятся защищенные сети, которые не боятся взлома.
Второе направление подготовки на факультете — алгоритмическое. Мы готовим не инженеров-физиков, а специалистов, которые будут уметь пользоваться квантовым компьютером, когда он появится. Это программисты и разработчики квантовых алгоритмов. Им не столько нужно знать физику, как разработчикам железа, сколько понимать математику и логику работы с кубитами.
Путь обучения по обоим направлениям достаточно сложный, но он очень перспективный. Учитывая планы РЖД и других корпораций по развитию квантовых технологий, спрос на специалистов будет только расти.
Автор: Александра Ламзина
Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.