CC BY
23Раткин Л. С.
к.т.н., ученый секретарь Совета ветеранов РАН
Rathkeen@bk.ru
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КВАНТОВЫХ КОММУНИКАЦИЙ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ИНВЕСТИЦИОННЫХ ПРОЕКТОВ ПО МОДЕРНИЗАЦИИ ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНЫХ
ОТРАСЛЕЙ ЭКОНОМИКИ РОССИИ
Ключевые слова: квантовые коммуникации, инвестиционные проекты, модернизация, высокие технологии, экономика, экология, авиация, космонавтика.
Современные квантовые информационные технологии относятся к междисциплинарной области, ориентированной на обработку и передачу информации с использованием принципов квантовой механики, сочетающей изучение информационных и коммуникационных технологий (ИКТ) с квантовыми эффектами в физике, что предполагает исследование теоретических основ вычислительных моделей и экспериментальных схем в квантовой физике, в т.ч., принципов построения и функционирования приборов и оборудования с помощью квантовой информации.
Если современные вычислительные технологии имеют ограничения из-за использования битов «0» и «1», где вычисления должны выполняться с битами в процессе хранения или обработки данных, то квантовая информационная технология - новая парадигма, в которой современные вычисления заменены квантовой теорией. В квантовых технологиях и квантовых коммуникациях квант означает минимальное количество информации для физической величины с применением уникальных квантовых характеристик, таких как суперпозиция, запутанность, сжатие, когерентность и т.д. Данные характеристики быстрее накапливаются и требуют иных, более производительных технологий вычислений, чем даже суперкомпьютерные. Возникает необходимость в создании репозиториев для распределенного хранения информационных объемов и построении высокоскоростных сетей и систем связи для их передачи.
Квантовые технологии и квантовые коммуникации предполагают обработку не только цифровых массивов данных, состоящих из «0» и «1». В квантовой информации единица обработки данных выражается в кубитах, соответственно, набор технологий для обработки больших объемов информации также претерпевает изменения. Например, стандартная информационная технология (СИТ) поддержки жизненного цикла продукции (Continuous Acquisition and Lifecycle Support - CALS) при квантовых технологиях трансформируется в квантовую технологию QT-CALS (Quantum Technology - CALS), в которой вероятностные вычисления преобладают, репозитории обладают значительно большим информационным объемом, адресация для хранения блоков данных построена с учетом вероятности извлечения данных: например, чаще извлекаемые для пересчета данные хранятся ближе, размещаются на «коротких» (быстрее передаваемых по сетям связи) адресах. Аналогично, СИТ компьютерной поддержки программного инжиниринга (Computer Aided Software Engineering - CASE) преобразуется в квантовую технологию QT-CASE, в которой, в частности, вероятность генерации оптимального кода тем выше, чем чаще при расчетах востребован необходимый набор операций. Соответственно, изменится и СИТ объектно-ориентированного программирования, став при работе с вероятностными вычислениями гораздо более гибкой и диверсифицированной: например, СИТ онлайн-аналитики (OLAP - On-Line Analytical Processing) трансформируется в QT-OLAP, в которой будет оцениваться вероятность построения ряда многомерных QT-OLAP-кубов, а СИТ онлайн-транзакций (OLTP - On-Line Transaction Processing) получит ряд дополнительных механизмов, например, по оценке вероятности совершения транзакции, что приведет к появлению гибрида QT-OLTP.
Автор в течение многих лет был системным администратором на ряде оборонных предприятий космической отрасли и был участником трансформации не только отношения к новым квантовым технологиям, но и к созданию ряда систем, в которых отдельные блоки для вероятностных вычислений были интегрированы в подсистемы для формирования сетей и контуров управления в критических условиях. При проведении НИОКР кубит (квантовый бит) рассматривался в качестве основной единицы квантовой информации в квантовых вычислениях - квантовая версия классического двоичного бита, физически реализованная с помощью устройства с двумя состояниями. Напомним, в классической системе бит должен быть в том или ином состоянии, но квантовая механика позволяет кубиту находиться в когерентной суперпозиции обоих состояний одновременно, что является фундаментальным для квантовой механики и квантовых вычислений, предоставляя дополнительные возможности.
Если квантовая технология применяется к информационным и коммуникационным технологиям (ИКТ), это обеспечит быструю вычислительную обработку; и их можно рассматривать как ИКТ нового поколения, ориентированные на преодоление ограничений существующих компьютеров, включая суперкомпьютерные системы. На смену СИТ приходят квантовые информационные технологии (КИТ), и рынок объемов производства стремительно растет: ожидается, что к 2030 году глобальный рынок квантовой передачи информации достигнет примерно 65 миллиардов долларов по сравнению с 570 миллионами долларов в 2019 году, предполагая ежегодные темпы роста в 50,6%! Кван-
товые технологии QT и квантовые коммуникации (Quantum Communications - QC) рассматриваются в качестве приоритетных и ключевых компонентов развития экономики, которая при интенсивном применении QT и QC уже становится квантовой экономикой, называемой также квантономикой.
Поскольку рынок квантовой информации и квантовых вычислений является быстрорастущим, способным со временем заменить традиционный рынок суперкомпьютерных вычислений, необходимо обратить особое внимание на исследования в сфере квантовых коммуникаций и квантовых технологий, квантовых вычислениях, квантовом зондировании. Квантовые коммуникации - это набор технологий, которые поддерживают связь путем создания более безопасных сетей, чем существующие, с использованием методов анализа квантовых состояний. Текущие методы, основанные на шифровании, лежащие в основе сети, пока изучаются и дорабатываются с учетом угроз при применении противником квантовых ключей и квантовых систем шифрования. Один из подходов к решению проблемы заключается в анализе квантового распределения ключей (Quantum Key Distribution - QKD) с применением репозиторных систем, т.к. текущая цель - построить инфраструктуру квантовой сети связи.
Квантовые датчики и механизмы визуализации информации - сфера исследований, в которой квантовые явления интенсивно применяются для измерения физических величин. Технология для новых сверхточных квантовых датчиков повышает точность существующих датчиков и систем анализа изображений: например, в банковской сфере их применение упростит и ускорит проведение транзакций через банк при оплате проезда на основании анализа качества изображения плательщика (face-pay), разрабатываемой в ряде ведущих российских банков. В последнее время была проведена серия экспериментов и получены данные, позволяющие доработать систему даже для скоростной оплаты в потоке, в частности, в транспорте или в магазине при прохождении через терминал оплаты. Диапазон измерения обычного датчика оплаты ограничен, поскольку оперирует всего двумя значениями - «0» и «1». Чтобы решить эту проблему, можно проводить более подробные измерения с большей частотой и кратностью, предполагающей обучение системы распознавания лиц в разных климатических условиях с разной степенью освещенности.
Квантовые вычисления, как правило, направлены на преодоление ограничений обработки информации обычных компьютеров и суперкомпьютеров для повышения их производительности. Квантовые вычисления могут значительно сократить время, затрачиваемое на вычисления на современных суперкомпьютерных комплексах. В США квантовые ИКТ исследуются при поддержке Агентства перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA), Национального научного фонда (NSF), Агентство перспективных исследовательских проектов в области разведки (IARPA) и Национальной академии наук (NAS). Для сравнения: Правительство Китая начало поддержку исследований в области квантовой информации только в 2006 году, но всего через десятилетие, в 2017 году в Научно -техническом университете Китая уже была построена и запущена в работу крупнейшая в мире лаборатория квантовой информации!
В 2006 году в исследования в сфере QT и QC включилась Европа: был опубликован квантовый европейский проект (Quantum European Project) с перспективами развития в сфере квантовой передачи информации, устанавливающий среднесрочные и долгосрочные цели НИОКР для различных направлений QT и QC. На научной конференции ЕС по квантовым технологиям 2016 года была объявлена совместная средне- и долгосрочная стратегия в сфере исследований и разработок - Quantum Manifesto, согласно которому в ЕС будут установлены общие среднесрочные и долгосрочные цели НИОКР для квантовых технологий, разделив КИТ на четыре области: квантовые коммуникации, квантовое моделирование, квантовые датчики (и сенсоры) и квантовые вычисления.
В Великобритании в рамках проекта Национальной программы квантовых технологий по инженерным и физическим наукам (EPSRC) было инвестировано 180 миллионов долларов в строительство четырех центров квантовых технологий, объединяющих 17 крупнейших британских университетов и 132 ведущие отраслевые компании. Проект направлен на разработку разнообразных QT квантовых датчиков и измерений, которые могут быть внедрены в промышленное производство ведущими английскими предприятиями, а также на поддержку расширения квантовой инфраструктуры и обучения высококвалифицированных профессионалов.
В Японии разработка квантовых информационных коммуникационных технологий начата Национальным институтом информационных и коммуникационных технологий (NICT), который разработал план развития QT до 2040 года. В Канаде интенсивные исследования по QT и QC проводятся исследовательскими институтами - Советом по естественным наукам и инженерным исследованиям Канады (NSERC), Канадским фондом инноваций (CFI), Канадским институтом перспективных исследований (CIFAR) и Канадским фондом передовых исследований (CFREF). В эти исследования уже инвестировано более 1 миллиарда долларов.
Крупные ИТ-компании - квантовые индустриальные гиганты создают КИТ посредством собственных исследований и разработок. Например, корпорация «Intel» представила Horse Ridge II, высокоинтегрированную систему на кристалле (SoC) для квантовых компьютеров, на конференции Intel Labs Day 2020. Их давний партнер «IBM» представила свою собственную систему квантовых вычислений и язык программирования под названием QSAM. Корпорация «Microsoft» давно работает с производителями квантового оборудования «IonQ», «Honeywell» и «QCI» над разработкой квантовых вычислений. Даже «Amazon» инвестирует в компании-разработчики технологий квантовых вычислений «D-Wave» (вспомним про квантовый компьютер производства «D-Wave Systems»), «IonQ» и «Rigetti» для Amazon Web Service (AWS) в качестве своих облачных сервисов для промышленных вычислений.
Рассматривая современные квантономические приложения, следует учитывать, что сфера квантовой коммуникации до сих пор сосредоточена на криптографической основе. Приоритеты сфокусированы на финансовом секторе, где стандарты шифрования обусловлены требованиями к защите данных. Квантовые коммуникации связи со временем станут новой инфраструктурой, заменяющей традиционные сети. На повестке дня - создание сетевого оборудова-
ния, поддерживающего квантовую связь. Но следует отметить, что за рубежом исследуются и методы защиты данных, отличные от криптографических, например, основанные на стеганографии.
В гражданских и военных квантономических приложениях квантовое зондирование исследуется для преодоления ограничений лидарных датчиков. Ожидаются значительные подвижки в сфере создания нового поколения датчиков и сенсоров, что приведет к созданию новых военных и гражданских систем высокоточного измерения объектов: эту базовую технологию можно использовать в широком спектре областей. Квантовые датчики и сенсоры в банковской и энергетической сферах изменят финансовый рынок и системы ЖКХ, энергетику и транспортную отрасли.
Поскольку современные ИТ-компании стремятся изучать и развивать квантовые вычисления для преодоления ограничений скорости вычислительной обработки существующих суперкомпьютеров, QT и QC применимы при проектировании жизненного цикла гражданских и военных изделий (CALS), компьютерной поддержке программного инжиниринга (CASE), в аналитике больших данных (OLAP) и транзакциях с ними (OLTP), искусственном интеллекте. Квантовые компьютеры в будущем заменят суперкомпьютерные комплексы. Квантовые вычисления предполагают создание квантовых алгоритмов, которые со временем заменят существующие суперкомпьютерные алгоритмы или потребуют их существенной доработки, поскольку существующие алгоритмы на основе битов трудно использовать в квантовых вычислениях, в которых обрабатываются кубиты данных.
