Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ
В грядущие годы квантовые вычисления радикально повлияют на национальную безопасность и мировую экономику, пишет FA. Они могут как создать угрозу, так и послужить на благо цивилизации. И пока в квантовой гонке лидируют отнюдь не США, пугает читателей автор.
Размышления о том, каким образом грядущая компьютерная революция повлияет на мировую экономику и как она скажется на национальной безопасности.
За последние несколько лет стремительный прогресс в области искусственного интеллекта стал привлекать к себе больше внимания со стороны широких кругов общественности, подвергаясь вместе с тем критическому анализу. Между тем вне поля зрения общества развивалась другая наиважнейшая технология — квантовые вычисления. В свое время квантовые вычисления не выходили за пределы чистой теории; для решения вычислительных задач, которые ранее считались совершенно неразрешимыми, квантовые технологии базируются на квантовой механике. Несмотря на тот факт, что технология квантовых вычислений все еще находится в зачаточном состоянии, уже сейчас становится ясно, что в грядущие десятилетия квантовые вычисления могут радикально повлиять как на область национальной безопасности, так и на мировую экономику.
С конца 2010-х годов США и многие другие развитые страны мира всё больше вовлекаются в гонку за лидерство в квантовой информатике и технологиях — то есть в той области, которая включает в себя квантовые вычисления, квантовую связь и квантовое зондирование. За последнее десятилетие правительства двадцати стран мира объявили об инвестировании в квантовые разработки на общую сумму более 40 миллиардов долларов; так, например, один только Китай решил в течение пяти лет направить в эту область 15,3 миллиарда долларов. В 2016 году Пекин обозначил разработку квантовых технологий как национальную приоритетную задачу и уже создал передовые производственные центры. В свою очередь, Соединенные Штаты в 2018 году приняли так называемую Национальную квантовую инициативу (National Quantum Initiative) и заложили законодательную основу, направленную на сохранение технологического и научного лидерства страны в области квантовой информации и ее приложений. Правительство США объявило о том, что направит в эту сферу 3,7 миллиарда долларов (и это только по открытым источникам), а также увеличит финансирование оборонных исследований и разработок. Заметим также, что, помимо государственных программ, многочисленные исследования и разработки ведутся как в частном секторе, так и в академических кругах.
Правда, по своим размерам инвестиции в квантовые разработки, если их сравнить с американским и международным финансированием ИИ, всё еще остаются незначительными. Тем не менее, рост квантовых технологий уже начал оказывать влияние на международную политику. Так, например, в 2019 году США объявили о двустороннем так называемом "заявлении о квантовом сотрудничестве" с Японией, которое правительство Соединенных Штатов еще больше усилило в 2023 году. А в 2024 году Вашингтон создал многостороннюю инициативу под названием "Группа квантового развития" (Quantum Development Group) с целью координации стратегий продвижения и управления новой технологией. США также обсуждали вопросы, касающиеся квантовых технологий, на различных форумах по экономике и безопасности, в том числе в рамках пакта AUKUS (это трехсторонний оборонительный договор между Австралией, Великобританией и США), Четырехстороннего диалога по безопасности (Quad) между Австралией, Индией, Японией и США, а также в рамках Совета по торговле и технологиям (TTC) между США и Евросоюзом. Подчеркивая растущую обеспокоенность Вашингтона по поводу квантовых технологий, один из аналитиков Центра новой американской безопасности (CNAS) утверждал в ноябре, вскоре после президентских выборов в США, что новая администрация должна "в течение первых ста дней действовать быстро, чтобы оживить конкурентоспособность США в квантовой области".
До сих пор появление квантовых технологий воспринималось по большому счету как один из вопросов национальной безопасности. С 1990-х годов ученые осознали, что одной из самых больших угроз, которую несет с собой мощный квантовый компьютер, является его потенциал в качестве мощного средства для взлома алгоритмов шифрования, которые на сегодняшний день используют по всему миру в самых передовых системах связи и в цифровых сетях. Эта проблема побудила правительство США начать разработки в области криптографических средств, устойчивых к квантовым средствам дешифровки, усилить экспортный контроль квантовых технологий и связанных с ними продуктов, приняв программы практических мер в сотрудничестве с представителями промышленности, научных кругов и местных органов власти.
Однако сосредоточившись на проблеме взлома алгоритмов шифрования, политики как-то отстранились от других важных приложений квантовых технологий. По сути, еще до того как квантовый компьютер сможет вскрыть передовые системы шифрования (а для этого потребуется огромная вычислительная мощность даже после того, как такие технологии будут в конце концов разработаны), он сможет перевести на качественно новый уровень многие секторы экономики, например, энергетику и фармацевтику. Если квантовые технологии использовать эффективно, то они окажутся способны стимулировать инновации, научные открытия, экономический рост и открывать другие возможности. Некоторые из прорывных решений, которые можно будет получить с помощью квантовых компьютеров, окажутся конкурентами тех результатов, которые, как сейчас полагают, появятся благодаря ИИ. Именно по этой причине представляется особенно важным, чтобы квантовые технологии разрабатывались в открытых обществах, то есть там, где существуют четкие ограничения, способные гарантировать использование этих технологий в благих целях.
Победить в квантовой гонке будет нелегко. В некоторых областях, таких как квантовая связь, лидирующие позиции уже занял Китай; и в ближайшие годы целенаправленно осуществляемая в США инновационная деятельность и лидерство будут иметь решающее значение для поддержания конкурентоспособности этой страны. Соединенным Штатам и их международным партнерам потребуется выделить гораздо больше ресурсов для реализации своих квантовых проектов; им придется развивать целые отрасли, где будут применяться квантовые технологии, а также создавать мощную цепочку поставок для поддержки этих квантовых проектов. Если США и их союзники не станут уделять приоритетное внимание этим проектам, если они не будут рассматривать их в качестве своей главной стратегической цели и приоритета при выработке политического курса, то они вполне могут лишиться своего дипломатического влияния, военной мощи, а также не смогут осуществлять надзор за мощной новой технологией. Кроме того, США в этом случае упустят свой шанс и не смогут пойти по новой магистрали экономического и общественного прогресса.
Везде и сразу
Концепция квантового компьютера была впервые предложена физиком-теоретиком и лауреатом Нобелевской премии Ричардом Фейнманом (Richard Feynman) еще в 1981 году. Мышление Фейнмана сформировалось на заре квантовой механики. В те времена ученые начали осознавать, что атомы, электроны, фотоны и другие объекты, размеры которых не превосходят габариты нанообъектов (то есть строительных блоков, из которых строится всё, что есть во вселенной), живут по совсем другим законам. Они кардинально отличаются от тех законов, которые действуют в отношении обычных объектов, наблюдаемых нами в повседневной жизни. Например, движение мяча описывается законами классической механики; однако электроны, в отличие от мяча, ведут себя одновременно и как частицы, и как волны, причем их координаты нельзя в точности определить.
Прозрение Фейнмана заключалось в том, что для истинного понимания квантово-механического мира и общих принципов работы самой вселенной необходимо построить компьютер, работающий по тем же самым законам. "Природа не классическая, черт побери, — воскликнул физик, — и если вы захотите моделировать природу, то эту модель лучше сделать квантово-механической".
Это прозрение Фейнмана оказалось пророческим. За четыре с лишним десятилетия компьютеры, построенные по "классическому" лекалу, полностью видоизменили планету — карманные мобильные телефоны сегодня в миллион раз мощнее, чем громоздкие настольные персональные компьютеры 1980-х годов. В полупроводниковой промышленности закон Мура (его суть в следующем: количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые два года) продолжает в целом оставаться верным, несмотря на многочисленные прогнозы, что в будущем он все-таки не будет соблюдаться. И на сегодняшний день самые мощные суперкомпьютеры способны обрабатывать квинтиллион (то есть миллиард миллиардов) операций в секунду. Однако по мере развития квантовой революции становится всё более очевидным, что некоторые квантовые вычисления превосходят потенциал даже лучших классических компьютеров, и данный процесс будет происходить и дальше.
Это связано с тем, что существующие компьютерные технологии ограничены следующим базовым принципом, который лежит в основе их работы: все формы классических вычислений, будь то с помощью счетов, персонального ноутбука или же высокопроизводительного объединения нескольких компьютеров, установленных где-нибудь на объектах национальной безопасности, — все они используют, как это называется по-научному, бинарную логику. В рамках этой системы базовой единицей информации является бит, представляющий собой объект, который может принимать одно из двух состояний, условно обозначаемых как 0 или 1. Несмотря на тот факт, что двоичная система счисления доказала свою высокую эффективность при проведении многих видов вычислений, она все-таки не может выполнять гигантские вычисления огромной сложности, такие как, например, факторизация тысячезначного числа, рассчитывать поведение молекул при их столкновении с сотнями атомов или же решать некоторые задачи оптимизации, которые часто возникают во многих областях.
Квантовые вычисления, напротив, подобных ограничений не имеют. Урок, который преподала нам квантовая физика — урок поразительный и противоречащий здравому смыслу — заключается в том, что частицы могут существовать сразу одновременно в нескольких состояниях. Соответственно, вместо битов, в основу которых положен принцип "или-или", квантовые вычисления используют так называемый квантовый бит, или кубит, который представляет собой систему, которая может быть сразу в состоянии 1 и в состоянии 2. Эта способность ("быть и тем, и другим одновременно"), известная как суперпозиция, дает огромное вычислительное преимущество; и чем больше кубитов работают одновременно, тем больше возрастает вычислительное преимущество. В то время как обычный компьютер должен последовательно обрабатывать одно состояние за другим, квантовый компьютер способен параллельно учитывать большое число возможностей. Представьте, что необходимо найти единственно верный путь, ведущий из лабиринта. Классический компьютер должен перебирать один за другим каждый из возможных путей. Тем временем квантовый компьютер способен одновременно идти сразу по нескольким путям, что позволяет с его помощью на порядки быстрее решать определенные виды задач. Важно отметить, что, вопреки широко распространенному упрощению, квантовый компьютер — это не просто огромный набор классических компьютеров, работающих параллельно. Несмотря на то, что существует огромное количество вариантов, которые можно перебирать с помощью квантового процессора, в конечном итоге найдется только единственная комбинация. Таким образом, для того чтобы найти единственно верное решение с помощью квантового компьютера, необходимо владеть искусством оптимального программирования, что лишь усилит скорость отыскания правильного ответа.
Основная проблема состоит в том, как создать достаточно большие и стабильно работающие квантовые процессоры для качественного решения значимых задач. Такие процессоры, как правило, чрезвычайно чувствительны к окружающей среде, например к влиянию изменений температуры, вибрациям и другим внешним воздействиям, что может привести к появлению различного рода системных ошибок. Поскольку вычислительная точность зависит от поддержания когерентности кубитов, исследователи вкладывают значительные средства в методы улучшения качества кубитов, в том числе в новые конструкции чипов, новые процессы их изготовления и методы исправления ошибок кубитов.
В настоящее время существует широкий спектр подходов к проектированию кубитов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. В принципе, любая квантово-механическая система (атомы, молекулы, ионы, фотоны) может быть преобразована в кубит. На практике его жизнеспособность определяется такими факторами, как технологичность, управляемость, производительность и скорость вычислений. На сегодняшний день основные усилия направлены на сверхпроводящие, нейтральные атомные, фотонные и ионные ловушки кубитов. На этой ранней стадии неясно, какие из них обеспечат успех, если они вообще на это способны. Помимо создания процессора, возникают и другие проблемы, скажем, как "упаковать" кубиты, передавать их сигналы и запускать приложения. Ученым придется использовать криогенные холодильники для охлаждения сверхпроводящих кубитов до тысячных долей градуса выше абсолютного нуля, чтобы обеспечить их работу в сверххолодной и темной среде, не испытывающей внешние воздействия. И в этом смысле экспертные знания по этим узкоспециализированным вопросам поступают из разрозненных источников во многих странах мира. Сегодня существуют различные компании, занимающиеся полным циклом квантовых вычислений (например, Amazon, Google, IBM и QuEra), которые пытаются интегрировать наработки по всем вышеназванным вопросам в конечный продукт. Короче говоря, квантовые вычисления сегодня сталкиваются с множеством проблем, и множество загадок еще предстоит разгадать; дальнейшее развитие квантовых технологий потребует внедрения множества инженерных инноваций. Очевидно одно: для успешного воплощения любого из подходов эти инновации должны быть надежными, масштабируемыми и экономически эффективными.
Новые автоответчики
Столь сильное стремление создать квантовый компьютер обусловлено несколькими причинами. Квантовые вычисления обещают решить задачи, которые ранее считались неразрешимыми, — это всякого рода головоломки, на решение которых лучшим классическим компьютерам мира потребовались бы целые столетия. Самая известная задача такого рода — факторизация целых чисел, или разложение числа на произведение нескольких множителей. Увы, но даже самые быстрые суперкомпьютеры не способны провести факторизацию очень больших чисел. А это означает, что, по идее, самые передовые формы криптографии, основанные на факторизации, нельзя взломать. Однако квантовые компьютеры это сделать могут.
В 1994 году ученый-компьютерщик Питер Шор (Peter Shor) доказал, что квантовый компьютер вполне способен факторизовать очень большие числа. В те времена квантовый компьютер оставался не более чем теоретической моделью. Однако по мере развития технологий прозрение Шора вызвало опасения по поводу того, что квантовому процессору в один прекрасный день окажется по плечу взломать даже самую сложную систему шифрования. По мнению экспертов по национальной безопасности, враждебные государственные и частные субъекты уже осуществляют сбор и долгосрочное хранение зашифрованной информации с надеждой на то, что возможность их расшифровать возникнет в будущем, когда появятся новые квантовые технологии (данный подход известен как "сохрани сейчас, расшифруй позже").
Однако дешифрование — это всего лишь один из возможных способов применения квантовых компьютеров, и произойдет это, вероятнее всего, лет через десять и более. По мысли Фейнмана, более очевидные способы использования квантовых вычислений связаны с квантовым моделированием, то есть способностью выполнять точные расчеты таких квантовых систем, как электроны, молекулы и разного рода вещества, при этом подобного рода задачи уже можно будет решать в не столь отдаленное время. Благодаря в том числе и квантовым процессорам уже происходят открытия в ряде узкоспециализированных областей физики, включая, например, моделирование квазичастиц, решение задачи динамики систем многих тел, спиновую электронику, перенос металла, темпоральные кристаллы, динамику "кротовых нор" и намагниченность.
Возможности настоящего мощного квантового компьютера, если бы такой действительно был создан, поражают человеческое воображение. Например, рассмотрим сельскохозяйственные удобрения. В настоящее время фиксация азота (химический процесс, посредством которого газообразный азот превращается в аммиак) является чрезвычайно энергоемким процессом; на него приходится до двух процентов годового мирового энергетического баланса. И это связано с тем, что катализаторы, используемые для проведения этой реакции, крайне неэффективны. Фактически природная молекула FeMoco (катализатор процесса биологической фиксации азота) обладает большой эффективностью, однако ее на сегодняшний день нельзя химически синтезировать или же производить в промышленных масштабах. Механизм ее действия оказался слишком сложным, чтобы его можно было исследовать с помощью существующих вычислительных технологий. Однако с помощью квантовых компьютеров ученые вполне могут выполнить сложные вычисления, необходимые для изучения механизма реакции с участием FeMoco. И это позволит создать катализаторы на основе FeMoco, которые могли бы сэкономить огромное количество энергии.
Или же возьмем фармацевтические препараты: здесь необходимо выяснить, насколько эффективно лекарственные вещества взаимодействуют на молекулярном уровне с организмом. Например, для моделирования реакции с участием цитохрома P450 (семейства ферментов, которые в значительной степени отвечают за метаболизм лекарственных веществ и, следовательно, за реакцию пациента на лекарства) обычным компьютерам потребовались бы колоссальные вычислительные мощности. Однако квантовые компьютеры могли бы моделировать поведение цитохрома P450 гораздо эффективнее, что привело бы к важным инновациям в области медицины. В химической и перерабатывающей промышленности квантовые вычисления могли бы помочь в разработке более эффективных аккумуляторных батарей для электромобилей и коррозионностойких компонентов для кораблей. Кроме того, квантовые компьютеры могли бы помочь нам превратить термоядерные реакторы в устойчивый источник энергии.
Еще одной перспективной областью применения является машинное обучение. Обычным компьютерам, обучающимся на квантовых данных (то есть электронной, магнитной и другой информации, описывающей поведение квантовой системы), требуются огромные объемы данных, которые они потом будут очень долго обрабатывать. А вот квантовым компьютерам, обучающимся на квантовых данных, для выполнения этой задачи требуется в разы меньше наборов данных. Эффективность значительно возрастает, поэтому квантовые компьютеры можно было бы после обучения использовать для прогнозирования реакций с участием многих химикатов и веществ. В настоящее время остается неясным следующий вопрос: будет ли у квантовых компьютеров преимущество при обучении на классических данных, таких как текстовые, аудио- и видеоданные, которые лежат в основе современных систем ИИ. Тем не менее, квантовые вычисления только выиграют, абсорбируя такие достижения, появившиеся в области классического ИИ, как, например, большие языковые модели, трансформеры [трансформер (модель машинного обучения) — это архитектура нейросетей, появившаяся в 2017 году. — Прим. ИноСМИ] и другие типы архитектуры ИИ, которые могут помочь в проектировании квантовых устройств, разработке программного обеспечения и более эффективном устранении квантовых ошибок.
Конечно, само собой разумеется, что квантовые компьютеры должны обладать естественным преимуществом, которое должно проявляться в квантово-механических приложениях. Менее очевиден тот факт (и это также было продемонстрировано), что квантовые компьютеры должны в существенной мере показать свою эффективность в решении некоторых видов задач, не относимых к категории квантово-механических, таких как, например, задача факторизации. В самом деле, математики вместе со своими коллегами из других областей открыли шестьдесят алгоритмов, которые позволяют квантовым компьютерам, в сравнении с обычными компьютерами, решать задачи намного быстрее; причем некоторые из квантовых компьютеров обгоняют обычные на порядки, в то время как другие пусть и не столь быстры, но все же и эта их скорость довольно существенна по сравнению с классическими компьютерами.
К областям, привлекающим к себе повышенный интерес ученых, относится изучение процессов оптимизации. С помощью методов оптимизации стремятся найти наиболее эффективное решение на некотором заданном множестве переменных; методы оптимизации используются специалистами в области финансового планирования, менеджерами, занимающимися транспортной логистикой, и даже спортивными тренерами. Оптимизация также является центральным элементом систем ИИ. Если бы хоть отчасти удалось ускорить и удешевить алгоритмы оптимизации, а также снизить их энергоемкость, то с учетом всей важности этих методов для мировой экономики можно предположить, что влияние квантовых компьютеров в этой сфере оказалось бы просто-напросто огромным.
Чем быстрее работает компьютер, тем выше риски
Нас поистине воодушевляют возможности квантовых вычислений. И все-таки текущие ограничения, налагаемые на квантовые технологии, нас не очень-то радуют. Переход от современных к передовым системам, необходимым для реализации некоторых самых перспективных приложений, потребует интеграции очень сложных компонентов и решения огромного количества задач. В результате этого многие из квантовых приложений появятся, наверное, лишь через несколько лет. Например, по мнению экспертов, для квантового компьютера, способного взломать код криптозащиты (если сравнивать такой компьютер с лучшими современными прототипами), потребуется примерно в 40 тысяч раз больше физических кубитов и пятикратное снижение частоты ошибок физического характера. Скажем, квантовые компьютеры, способные выполнять простые химические вычисления, примерно на два порядка дешевле, но они также будут зависеть от гораздо более передовых технологий.
Чтобы определить состояние, в котором сейчас пребывают квантовые разработки, давайте обратимся к концепции, опубликованной Google в 2018 году. В этой концепции утверждалось, что для создания полномасштабного квантового компьютера необходимо решить шесть технологических задач, а именно: 1) демонстрация того, что квантовый процессор может превзойти обычный процессор при выполнении некоторой задачи; 2) разработка прототипа логического кубита; 3) демонстрация реального логического кубита; 4) создание логического вентиля для операций между несколькими логическими кубитами; 5) производство ста логических кубитов, что считается отправной точкой для простого квантового моделирования; и 6) производство тысячи логических кубитов для более сложных моделей. (Для взлома криптографического кода компьютер должен обладать еще более продвинутыми возможностями.) Google уже справилась с первыми двумя задачами, и в декабре 2024 года корпорация анонсировала квантовый процессор Willow, способный за считанные минуты выполнить стандартный алгоритм, на отработку которого одному из самых быстрых на сегодняшний день суперкомпьютеров потребовалось бы невообразимо много времени — 10²⁵ лет. Другие компании, включая IBM, IonQ и QuEra, опубликовали собственные планы по созданию мощного квантового компьютера, способного исправлять ошибки в вычислениях. Китайские исследователи, в первую очередь из Научно-технического университета Китая, выполнили первую задачу из концепции Google, упомянутой выше, и продемонстрировали процессоры с сотнями кубитов. Как и у других игроков в этой области, у китайских ученых, несомненно, имеются другие важные разработки, которые к настоящему времени еще не были обнародованы.
Чтобы проанализировать текущую ситуацию, связанную с квантовой гонкой, исследовательское подразделение Министерства обороны США — Управление перспективных исследовательских проектов (DARPA) — недавно объявило об Инициативе по сравнительному анализу квантовых технологий, чтобы определить, сможет ли к 2033 году какой-либо из подходов к квантовым вычислениям стать эффективным. Несмотря на то, что невозможно в точности предсказать темпы будущих инноваций, некоторые ученые подсчитали, что прототипы настоящего квантового компьютера, который бы состоял, например, из десяти логических кубитов, могут быть разработаны к концу нынешнего десятилетия. Благодаря подобному инженерному достижению, а также появлению методов исправления ошибок и построению более эффективных алгоритмов человечество всё ближе подойдет к желанной цели — квантовому моделированию.
Согласно современным представлениям, ученым вряд ли удастся до конца 2030-х годов создать первый настоящий квантовый компьютер, способный взламывать криптографический код (то есть квантовый компьютер, насчитывающий миллионы кубитов и умеющий адекватно исправлять ошибки). Но даже и в этом случае такому компьютеру понадобится несколько часов, чтобы разложить на множители одно большое число. Тем не менее, для Соединенных Штатов, а также их международных партнеров крайне важно подготовиться к появлению этой технологии уже сейчас, поскольку, как мы знаем, в сети, к сожалению, новые стандарты безопасности внедряются отнюдь не быстро. Понадобится несколько лет на то, чтобы разработать, протестировать и усовершенствовать стандарты безопасности для квантовых технологий. Начиная с 2016 года, Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) является головной организацией, которая предпринимает усилия по разработке стандартов криптографии для постквантового мира. Так, в августе 2024 года NIST объявил о выпуске трех классических алгоритмов шифрования в качестве стандартных, которые можно использовать уже сейчас, снабдив их инструкциями по интеграции в системы шифрования и в другие продукты. Хотя сейчас эти алгоритмы неуязвимы перед всеми известными методами дешифрования, всё равно можно допустить, что один или несколько из них окажутся уязвимы в будущем. Подобные опасения стали еще актуальнее в связи с новыми исследованиями, где предполагается, что криптосистема с открытым ключом никогда не сможет быть полностью защищена от атак со стороны квантовых компьютеров.
Подобно другим прорывным технологиям, квантовые вычисления не только открывают перед нами широкие перспективы, но также создают значительные и доселе невиданные риски, например: кражи данных в значительных масштабах, экономические потрясения, утечки разведданных. Но опасность не только в этом. Квантовые компьютеры могут использоваться отнюдь не в благих целях, например для моделирования и синтеза химического оружия или же для оптимизации траекторий полета роя беспилотников. Как и в случае с ИИ, сама возможность неправильного использования или злоупотребления квантовыми технологиями уже ставит перед нами серьезные вопросы о том, кто должен осуществлять надзор за этими технологиями, а также о том, как именно можно будет свести к минимуму сопряженные с этим угрозы. Политикам необходимо будет определить, каким образом можно было бы максимизировать экономические и общественные выгоды, минимизируя при этом опасности. В процессе поиска наилучших способов достижения оптимального баланса между выгодами и угрозами необходимо широкое обсуждение этого вопроса представителями гражданского общества. Общественность должна знать не только о потенциальных преимуществах, которые мы получаем от использования квантовых технологий, но и о том вреде, который они способны нанести. Развитие цивилизации, в которой будут существовать квантовые компьютеры, может пойти по совершенно разным траекториям. Лучший из вариантов — это когда возглавлять разработку и осуществлять совместное управление квантовой технологией будут либеральные демократии. Наихудший вариант — это когда Соединенные Штаты и их партнеры, пребывая в бездействии или же предпринимая недостаточные усилия, уступят лидерство в области квантовых технологий Китаю и прочим автократическим государствам.
Квантовый скачок
Создание и совершенствование квантового компьютера — это смелый, амбициозный и глобальный проект, который ни одна компания и ни одна страна не смогут осуществить в одиночку. Для тех прототипов систем, которые только-только стали появляться, уже требуются тысячи специальных деталей, инструментов и приборов; уже возникла необходимость в создании сложного производства и криогенных установок; появилась необходимость в специалистах высочайшей квалификации — представителях десятков областей науки и техники. И всё это следует подкрепить миллиардами долларов в виде инвестиций в исследования и разработки. Квантовые системы завтрашнего дня будут значительно сложнее. Если Соединенные Штаты хотят возглавить эту гонку и вместе со своими международными союзниками создать самые передовые системы квантовых вычислений, то они должны сделать так, чтобы специалисты, занятые в разработке квантовых технологий, наладили межгосударственное сотрудничество. Эффективное взаимодействие может дать либеральным демократиям, в отличие от более закрытых и авторитарных стран, значительное преимущество.
Для многих компаний, занимающихся в наши дни разработкой квантовых систем, квантовый процессор — это наиболее оберегаемый актив среди прочих активов, являющихся интеллектуальной собственностью. Все компании стараются производить такой процессор не за границей, а в стране своего базирования. Так, например, Google производит квантовые чипы в Соединенных Штатах, Oxford Quantum Circuits — в Великобритании, а Alice & Bob делает это во Франции. В каждом случае эти чипы предназначаются для проведения собственных внутренних исследований и разработок; в некоторых случаях доступ к только-только появившимся прототипам разрешен и третьим лицам. Как видно на примере сектора микроэлектроники, любая страна, сохраняя мощности по созданию такого стратегического изделия на своей территории, получает геополитические преимущества.
Однако для того, чтобы производить процессоры и создавать компьютерные системы в пределах одной страны, необходимо набрать талантливых специалистов. Для этого необходимо поддерживать сотрудничество между государственными органами, отраслями промышленности, исследовательскими и образовательными учреждениями. А для этого компании, занимающиеся разработками в области квантовых технологий, вполне могли бы делиться информацией о вакансиях для специалистов, а также предоставлять возможности для обучения непосредственно на рабочем месте. Поскольку для участия в разработке квантовых технологий требуются подчас узкие специалисты, не каждая страна способна вырастить необходимый кадровый потенциал. Скажем больше: быть может, такое не под силу ни одной стране. Наш опыт показывает, что в процессе разработки квантовых технологий нам приходится сотрудничать в том числе с разными академическими учреждениями и отраслевыми партнерами из США, Европы и Азиатско-Тихоокеанского региона — всего таких организаций больше ста. Соединенным Штатам и их союзникам было бы разумно внедрить политику визового, иммиграционного и экспортного контроля, которая позволила бы компаниям, работающим в этом столь важном секторе экономики, нанимать самых талантливых ученых, инженеров и техников. В сентябре прошлого года Министерство торговли США сделало важный шаг в этом направлении, объявив о новых правилах, в том числе условном освобождении от экспортных пошлин для содействия трудоустройству высококвалифицированных иностранных работников в Соединенных Штатах Америки.
Вашингтону и его международным партнерам также необходимо будет создать надежные цепочки поставок всякого рода подсистем и компонентов, которые необходимы для квантовых вычислений. Многие из таких компонентов производятся в разных странах мира, причем подобная ситуация сохранится и в будущем. Например, для создания сверхпроводящих кубитов нам требуются многие из тех же инструментов, которые используются на передовых предприятиях по производству полупроводников, принадлежащих таким компаниям, как Intel и TSMC. Эти компоненты производятся во Франции, Германии, Нидерландах и США, а также в других странах. Для создания криогенных аппаратов требуется опыт, а им обладают лишь несколько компаний, большинство из которых базируется в Великобритании и ЕС. Другие компоненты, такие как электронная аппаратура управления и проводные средства физического соединения, разрабатываются специализированными компаниями Израиля, Японии и Тайваня, а также США и ЕС. Отдельные страны по одиночке, конечно же, способны создавать различные компоненты. Однако чтобы решить всю задачу целиком и не позволить авторитарным странам добраться до закрытой информации, государствам-единомышленникам необходимо предпринимать совместные усилия.
Для того чтобы квантовые вычисления раскрыли весь свой потенциал, необходимо привлечь к разработкам одаренных людей из разных областей науки. На первой стадии предпринимались попытки создать для разработчиков специальную рабочую среду. Для этих целей была предпринята, например, программа DARPA Quantum Benchmarking (она должна была анализировать достижения в области квантовых вычислений в прикладных областях), а также трехлетний международный конкурс XPRIZE Quantum Applications с премией в размере пяти миллионов долларов для участников, которые смогли бы продемонстрировать реальные приложения алгоритмов квантовых вычислений.
Однако не только от работы ученых зависит успех и безопасность квантовых технологий. Здесь понадобится долгосрочная материальная и нематериальная поддержка со стороны государственного и частного секторов, а также дальновидная политика в международной сфере. Всё это мы уже наблюдали в разгар "лунной гонки", а также в те времена, когда реализовывался проект по секвенированию генома человека. Благодаря квантовым компьютерам перед Соединенными Штатами и другими государствами откроются небывалые возможности. И в то же время появление квантовых компьютеров сопряжено с новыми рисками, поскольку квантовые технологии могут быть использованы во зло, тем самым создавая угрозу мировому порядку. И если человечество сумеет эти угрозы обуздать, то в этом случае квантовые вычисления обязательно раскроют свой потенциал на благо нашей цивилизации и помогут нам выстроить более совершенное общество.
Авторы: Чарина Чоу (Charina Chou), Джеймс Маньика (James Manyika), Хартмут Невен (Hartmut Neven).
