Что несёт с собой вторая «квантовая революция»?

Сегодня для обозначения социальных рисков, связанных с новыми прорывными информационными технологиями, всё чаще используется термин techclash, под которым подразумевается социально-технологический конфликт, возникающий в результате противоречий между широким использованием технологий в нашей жизни и ростом опасений из-за их вторжения в частную жизнь граждан и деятельность государства.

Квантовые компьютеры представляют собой вычислительные устройства, использующие для решения задач обработки и передачи данных такие квантовые феномены, как принцип неопределённости Гейзенберга, суперпозиция и запутанность. Они оперируют не битами, способными принимать значения либо 0, либо 1, а кубитами, имеющими значения одновременно и 0, и 1, что позволяет обрабатывать все возможные состояния одновременно, и многократно превосходят суперкомпьютеры при решении ряда задач.

Но крупные игроки ИТ-бизнеса зачастую прогнозируют более быстрое развитие событий. Так, согласно «дорожной карте» развития квантовых вычислений «Ай-би-эм» (IBM), которую компания постоянно обновляет, уже в 2021 г. должен быть создан квантовый компьютер производительностью в 100 кубитов, а в 2023-м – 1121-кубитный процессор «Ай-би-эм Квантум Кондор» (IBM Quantum Condor). Долгосрочной целью для «Ай-би-эм» является строительство квантовой системы на миллион кубитов. Создание достаточно мощных и надёжных процессоров и использование квантовых приложений в коммерческих целях в компании ожидается примерно в середине текущего десятилетия. Со временем новая технологическая гонка в области квантовых технологий должна изменить всю современную схему вычислений: компьютеры, компоненты системы хранения, процессоры, центры обработки данных (ЦОД)1. Пока же первые продукты с квантовыми чипами используют лишь крупные заказчики.

Наиболее востребованы квантовые вычисления будут в бизнесе, научной деятельности или производстве – например, в фармацевтике, медицине, при разработке новых лекарств, создании новых материалов или при решении сложных проблем в теоретической физике, где требуется анализ или моделирование сложных данных. Широкое применение они найдут для создания глобальных моделей климата Земли и точных моделей его изменения. Квантовое моделирование энергоёмких реакций для получения удобрений и оптимизации эффективных цепочек поставок и маршрутов транспорта, кроме коммерческих выгод отдельных предприятий, может сократить глобальные выбросы СО₂ и уменьшить загрязнение атмосферы Земли2.

Приведут квантовые технологии к серьёзным изменениям и в других сферах, прежде всего в безопасности – в мировых финансах, государственном управлении, военном деле. Квантовые коммуникации, квантовая криптография открывают новые возможности и для дешифровки кодов и для создания систем постквантовой информационной безопасности, в том числе для защиты со стороны квантовых компьютеров.

С помощью квантовых компьютеров можно взломать все самые совершенные нынешние средства обеспечения безопасности, что ставит под вопрос всю современную систему интернет-безопасности. Сделать это позволит так называемый квантовый алгоритм факторизации, разработанный в 1994 г. американским учёным Питером Шором, который позволяет с помощью квантовых компьютеров осуществить взлом криптографических систем с открытым ключом, основанных на факторинге. Именно поэтому так востребованы сейчас на рынке новые продукты квантовой защиты и постквантовой криптографии (Post-Quantum Cryptography, PQC), проверкой и тестированием качества которых занимаются национальные центры по стандартам. В США оценкой качества постквантовых алгоритмов шифрования, систем безопасности, основанных на квантовом распределении ключей (Quantum Key Distribution, QKD) занимается Национальный институт стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST), в задачи которого входит отбор стандартов шифрования. Только после длительного тестирования степени их уязвимости для квантовой дешифровки и взлома лучшие из отобранных алгоритмов станут стандартами3.

Сегодня разработки в области квантовых технологий, прежде всего квантовых компьютеров, неизмеримо превосходящих по вычислительным возможностям современные компьютеры, стали полем жёсткой конкурентной борьбы за глобальное технологическое лидерство между ИТ-компаниями-гигантами, странами – геополитическими лидерами, мобилизующими мощный технологический, а порой и политический, потенциал и огромные инвестиции. Превосходство в этой области откроет путь к технологическому доминированию в будущем и создаст преимущество в борьбе за технологическое лидерство, а квантовые технологии будут выступать драйвером технологического развития в ближайшие десятилетия. Насколько важным в современных условиях является достижение технологического лидерства в этой области, говорит появление нового понимания информационной опасности как информационного неравенства, задержки в технологическом развитии, что нашло отражение и в принятых недавно в России «Основах государственной политики РФ в области международной информбезопасности». В качестве одной из угроз фигурирует использование отдельными государствами технологического доминирования в глобальном информационном пространстве для монополизации рынка информационно-коммуникационных технологий (ИКТ), ограничения доступа других государств к передовым ИКТ, а также для усиления их технологической зависимости от доминирующих в сфере информатизации государств и информационного неравенства4.

Американо-китайское соперничество в области квантовых технологий

Соперничая и конкурируя в борьбе за квантовое лидерство, страны – технологические лидеры реализуют целевые программы развития квантовых технологий. Согласно исследованию «Персистенс маркет рисёрч» (Persistence Market Research), мировой рынок квантовых вычислений в 2020 г. оценивался в 5,6 млрд долл. и, как ожидается, вырастет в среднем на 33,7% в течение следующих 10 лет. При этом по прогнозам рынок в США расширится в среднем на 26,4% к 2031 г. В Китае рост рынка будет выше – в среднем около 36,9%5.

Перипетии американо-китайского соперничества в борьбе за мировое технологическое лидерство серьёзно влияют на ситуацию в области квантовых технологий, в том числе и в военно-оборонной области. Обе страны задействовали значительные ресурсы и усилия в этом направлении, вплоть до мер экспортного контроля. Так в США в 2019 г. в перечень экспортного контроля были впервые внесены постквантовая криптография и классические алгоритмы защиты6.

По мнению экспертов, баланс сил последнее время складывается не в пользу США на фоне недофинансирования в стране фундаментальной науки и сокращения разрыва в финансировании научных исследований и разработок Китаем, где среднегодовые темпы роста расходов на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР) в настоящее время почти в 3 раза выше, чем в Соединённых Штатах. Глобальное производство НИОКР продолжает смещаться из США и Европы в Южную и Юго-Восточную Азию7.

В связи с этой неблагоприятной тенденцией в США в последние годы в целях поддержания технологического лидерства, экономики и национальной безопасности был принят ряд важных документов по финансированию квантовых технологий. В декабре 2018 г. был подписан закон «О национальной квантовой инициативе » (National Quantum Initiative Act), который предусматривает разработку десятилетнего плана ускорения развития квантовой науки и технологий. В связи с этим в течение пяти лет должно быть выделено 1,2 млрд долл. на развитие квантовых исследований и подготовку нового поколения кадров. Финансирование предназначено для Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST), Национального научного фонда (National Science Foundation, NSF) и Министерства энергетики США (U.S. Department of Energy, DOE). На повестке дня стоят вопросы о стратегических долгосрочных усилиях по развитию квантовых исследований, а также координации и совместных проектах государственных институтов, академических организаций и крупных компаний и стартапов.

В июле 2020 г. Министерство энергетики представило стратегию разработки национального квантового интернета. Его созданием будут заниматься 17 национальных лабораторий Министерства энергетики в сотрудничестве с крупнейшими университетами и представителями ИТ-отрасли в течение ближайших десяти лет. Практически не поддающийся взлому будущий квантовый интернет многократно ускорит обмен огромными объёмами данных и станет важным технологическим прорывом. Даже на начальном этапе его создания это окажет глубокое влияние на науку, промышленность и национальную безопасность, прежде всего на медицину и банковский сектор, мобильную связь. Результаты должны способствовать ускорению прогресса в квантовой информатике и инженерии, развитию сотрудничества с академическими и корпоративными партнёрами.

Учёные из Чикагского университета, Аргоннской национальной лаборатории и лаборатории «Фермилаб» (Fermilab) Министерства энергетики в сотрудничестве создают одну из самых длинных наземных квантовых сетей в стране: 83-километровая «квантовая петля», созданная в Чикаго, при подключении к «Фермилаб» достигнет длины 130 км. Прототип квантовой сети имеется также в Нью-Йорке. В дальнейшей работе над созданием архитектуры общенационального наземного квантового интернета и развёртыванием и подключением узлов квантовой сети, разработкой системы квантовой криптографии будут задействованы и другие лаборатории Министерства энергетики, университеты и корпорации8.

Высокий уровень достижений США в квантовых разработках, во многом, заслуга крупнейших американских корпораций, таких как «Ай-би-эм», «Интел» ( Intel ), «Гугл» ( Google ), «Майкрософт» (Microsoft) и «Ханивэлл» (Honeywell), а также стартапов, например, «Риджетти» (Rigetti), «Айон-Кью» (IonQ), «Колд-Куанта» (ColdQuanta). В 2018 г. «Ай-би-эм» получила больше патентов, чем любая другая американская компания. И почти половина из них была на передовые технологии, такие как искусственный интеллект, квантовые вычисления и блокчейн9. В 2019 г., согласно совместному исследованию Ростелекома, Иннопрактики и ФИПС патентной активности в квантовых технологиях, мировым лидером по количеству поданных заявок на квантовые патенты стала «Интел». Самые цитируемые в других заявках и интересные патенты зарегистрировали канадская «Ди-Вэйв» (D-Wave) и американская военно-промышленная компания «Нортропп Граммэн» (Northropp Grumman). «Гугл» и «Алибаба групп» (Alibaba Group) стали мировыми лидерами по количеству стран, где запатентованы их квантовые технологии (по 12 стран у каждой), то есть их патенты являются коммерчески наиболее продуктивными. В этом же исследовании отмечается, что вопреки репутации большинства китайских патентов как «мусорных» и не имеющих новизны, ряд китайских компаний, таких как «Рубан квантум текнолоджи» (Ruban Quantum Technology), недавно начали активно патентовать интересные заявки по квантовым исследованиям.

Суть эксперимента в том, что квантовый компьютер «Гугл» «Платан» (Sycamore) c 53-кубитовым процессором, смог за 200 сек. (примерно 3,3 мин.!) выполнить расчёт, на который самому мощному в мире суперкомпьютеру «Саммит» (Summit, «Ай-би-эм»), запущенному в 2018 г., понадобилось бы примерно 10 тыс. лет. Расчётная мощность «Платана» составляет 200 тыс. трлн операций в секунду, он состоит из 4 608 вычислительных серверов, на каждом из которых установлено два 22-ядерных процессора «Пауэр-9» (Power9, «Ай-би-эм»), а встроенная память достигает 10 петабайт. Выполнение того же эксперимента на сервере «Гугл Клауд» (Google Cloud) заняло бы 50 трлн часов (5,7 млрд лет)¹⁰. Был выполнен лишь один расчёт со специальными условиями, поэтому эксперимент носил принципиально демонстрационный характер и не имел практического применения. Таким образом, речь пока не идёт о создании универсальных квантовых компьютеров для решения практических задач и их превосходстве над классическими компьютерами во всех сферах.

Далеко не все специалисты согласны оценивать это событие как переломный момент в квантовой науке и важный шаг на пути к созданию полноценной квантовой вычислительной системы, и не все из них признают идею квантового превосходства достойной внимания в качестве демонстратора зрелости технологии. В реальности же коммерчески жизнеспособный квантовый компьютер ещё потребует многих достижений и решений в области НИОКР, прежде чем станет реальностью. Тем не менее, событие является значительным маркером в развитии квантовой технологии, хотя сам термин «превосходство» должен правильно пониматься.

В военно-оборонной промышленности США с начала 2010-х годов использовались специализированные квантовые устройства для решения ограниченного круга конкретных задач. Первые такие устройства появились на американском рынке благодаря канадской компании «Ди-Вейв-системс» (D-Wave-Systems) с начала 2010-х годов. С 2011 г. крупнейшая многопрофильная организация оборонной промышленности США «Локхид Мартин» (Lockheed Martin) заключила несколько контрактов на их поставку с «Ди-Вейв-системс»¹¹.

Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, НАСА (National Aeronautics and Space Administration, NASA) и Лос-Аламосская национальная лаборатория также приобрели квантовые системы у «Ди-Вейв-системс».

В начале 2020 г. в Управлении перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA) была запущена Программа по квантовым исследованиям и разработкам в области оптимизации «зашумлённых квантовых систем среднего масштаба» (Optimization with Noisy Intermediate-Scale Quantum, ONISQ). В ней участвуют семь университетских и отраслевых команд. Их задачей является выяснить возможности квантового-классического гибридного подхода при разработке алгоритмов для оптимизации на обычных ПК или на гибридных платформах с относительно небольшим набором кубитов (так называемые зашумленные квантовые системы среднего масштаба).

На втором этапе – 2,5 года – будет осуществляться совершенствование процессоров и программ и разрабатываться квантовые алгоритмы для решения задач комбинаторной оптимизации с намного большей эффективностью, чем на классических компьютерах¹².

Однако, несмотря на то что Управление уделяет особое внимание квантовым и другим высокотехнологичным проектам, доля финансирования агентства в общем объёме научно-технологического сектора, связанного с военно-оборонной промышленностью, за последние несколько лет снизилась почти на пять процентов¹³.

Согласно прогнозам НАТО в дальнейшем квантовые технологии будут использованы в целях информационной безопасности для создания облачных систем и защищённой связи, моделирования новых химических веществ и материалов с желаемыми свойствами, такими как сверхтвёрдая броня, сверхпроводимость, устойчивость к высоким температурам и т.д., для противодействия любым формам поражающего воздействия – химического, биологического, радиационного, ядерного. Квантовые коммуникации обеспечат надёжную мгновенную связь на большом расстоянии, при этом оставаясь неуязвимыми для взлома. Получат распространение сверхточные, энергоэкономные, высокочувствительные квантовые сенсоры, атомные часы и навигационные устройства. Квантовые сенсоры дадут возможность определить положение подводной лодки на любой глубине, в любой точке Земли, на 100% уменьшить ошибки в навигации без «Джи-пи-эс» (GPS Denied Environment), что даёт возможность работать в течение нескольких недель в среде, недоступной для «Джи-пи-эс», с полной геопространственной и временной осведомлённостью, эквивалентной современным системам «Джи-пи-эс» на море, в воздухе или на суше. Например, возможно осуществлять высокоточную навигацию подо льдом с помощью беспилотных подводных аппаратов в течение нескольких месяцев, глубоко в океане. Будут созданы радиолокационные сети со сверхчувствительными квантовыми радарами для отслеживания и идентификации воздушных целей¹⁴.

Китай, в свою очередь, также значительно продвинулся в разработках квантовых технологий военного назначения. Среди них экспериментальные разработки квантовых радаров китайской компании «Электроник технолоджи групп» (Electronic Technology Group Corporation), способные в будущем поставить под вопрос возможности США в области стеллс-технологий. Квантовые детекторы подводных лодок на основе массива сверхчувствительных датчиков, разработанные в Китайской академии наук, способны значительно ограничить по дальности, размаху и эффективности возможности атомных подводных лодок США и стран НАТО. Если Китай переведёт свои военные коммуникации на квантовые сети, это значительно затруднит для США возможности сбора разведданных¹⁵.

Китайская коммуникационная квантовая сеть, которая действует с 2012 г., к 2021 г. достигла 2,6 тыс. км в её спутниковой и наземной части. За последние 15 лет в эти разработки было вложено около 1 млрд долл. Согласно национальному мегапроекту по развитию квантовой связи и вычислений, начатому в 2016 г., достижение основных результатов планируется к 2030 году¹⁶.

Благодаря запуску в 2016 г. специального спутника, с которого была осуществлена квантовая связь с обсерваторией с целью тестирования новых криптоалгоритмов, китайской стороне удалось значительно продвинуться в области квантового шифрования и безопасной передачи данных. Работа была продолжена, и в июне 2020 г. состоялся сеанс квантово-криптографической связи между двумя наземными станциями на расстоянии 1120 км под руководством одного из известных специалистов в квантовых исследованиях профессора Цзянь-Вэй Пана (Jien-Wei Pan) из Научно-технического университета Китая (University of Science and Technology of China, USTC).

Специалисты считают, что многомиллиардное финансирование позволит Китаю занять ведущие позиции по исследованиям в области квантовых технологий и это лидерство изменит будущее стратегическое военное равновесие в его сторону. За последние два года Китай резко ускорил темпы квантовых исследований и при нынешних темпах финансирования к 2030 г. потратит больше, чем любая другая страна¹⁷.

В создание Ключевой лаборатории квантовой информации (Key Laboratory of Quantum Information) Китайской академии наук в 2017 г. было вложено 10 млрд долл. Созданная при ней компания «Ориджин квантум» (Origin Quantum) со штаб-картирой в Хэфэе занимается исследованиями и опытно-конструкторскими работами в области квантовых компьютеров и программного и аппаратного обеспечения. Её продукция ориентирована в основном на внутренний рынок. Крупные инвестиции она получила от азиатского инвестиционного фонда «КАССТАР» (CASSTAR), фондов «Чайна интернет инвестмент» (China Internet Investment Fund), «Чайна реформ» (China Reform Fund), «Си-си-би интернешнл» (CCB International) и ряда других инвесторов.

Разработки здесь ведутся как на основе сверхпроводящих кубитов – по следам «Ай-би-эм», отставая от неё на три года, так и на основе кремниевых (спиновых) кубитов, вслед за «Интел» с отставанием в два года¹⁸. Среди разработок – двухкубитный квантовый процессор первого поколения XW B2-100, сверхпроводящий квантовый компьютер «У Юань» (Wu Yuan), работающий на 6-кубитном сверхпроводящем квантовом процессоре KF C6-130. Завершается отладка 24-кубитного компьютера на сверхпроводящих кубитах, на очереди стоит 64-кубитный. Создана соответствующая операционная система «Ориджин пайлот» (Origin Pilot) и облачный сервис с необходимым программным и алгоритмическим наполнением.

Собственные квантовые проекты развивают и крупнейшие китайские компании «Тенсент» (Tencent) и «Байду» (Baidu). «Алибаба» (Alibaba) в начале 2020 г. объявила о выпуске 10-кубитового квантового облачного компьютера19.

Риски безопасности в квантовой технологической гонке

Примерно к 2040 г., благодаря всё большей интенсификации рынка квантовых технологий, универсальные квантовые компьютеры будут существовать уже как реальность, а не как информационные техномиражи (если вспомнить историю с информационным конструированием эксперимента «Гугл» по достижению квантового превосходства). Но уже сейчас встаёт вопрос о будущих рисках, связанных с их использованием, регулятивных механизмах и глобальных стандартах в этой области.

Именно сейчас, пока квантовые технологии ещё в стадии разработки, становятся очевидными все новые последствия их использования. Самое время подумать, кроме политических, правовых, и об этических и связанных с безопасностью аспектах их применения, например, о вопросах конфиденциальности в целом. Необходимо опередить появление серьёзных этических проблем, потенциально оценить этические последствия квантовых технологий, ещё до того, как они будут разработаны. Выше уже было сказано о глобальных проблемах информационной безопасности, геополитических и геополитических, военно-стратегических рисках. Но не менее важен и сложный комплекс вопросов, связанных с этически справедливым распределением доступа к использованию этой технологии. Например, если пользоваться квантовыми компьютерами и результатами их работы (результатами квантовых вычислений) в обозримом будущем в основном будут крупные корпорации и правительства, то общество неизбежно окажется перед лицом грядущих несправедливостей в использовании вычислительных возможностей квантовых компьютеров. Ведь, используя квантовые методы шифрования и дешифровки, правительство и корпорации, полностью защищают свои собственные коммуникации от взломов, что ещё возможно в наше время, и в то же время значительно увеличивают свои возможности по наблюдению за гражданами.

Но если налогоплательщики поддерживают квантовые исследования в финансируемых государством исследовательских центрах, которые могут способствовать выгодам всеобщего значения, то общество должно иметь приоритетное право на широкий доступ к этим выгодам, например, для лечения тяжёлых заболеваний. Далее, если в ближайшие десятилетия, квантовые компьютеры могут сыграть важную роль в смягчении такого насущного глобального риска как изменение мирового климата, то должны ли они использоваться для гораздо менее существенных целей – например, для построения финансовых торговых моделей в хедж-фонде?²⁰

Для США утверждение собственных подходов в управлении глобальными стандартами по ИИ и борьба за вытеснение с рынка китайских стандартов в этой области сейчас является одним из главных направлений борьбы за технологическое лидерство. На это направлена, например, американская инициатива по формированию «Сети экономического процветания» (Economic Prosperity Network, 2020 г.), участники которой, лояльные США, должны будут применять согласованные стандарты в сферах цифрового бизнеса, энергетики, информации, торговли и проч. Всё больше внимания в последнее время стало уделяться теме ИИ в Организации экономического сотрудничестOва и развития, ОЭСР (Organisation for European Economic Co-operation, OECD). В мае 2019 г. Совет ОЭСР принял рекомендации по ИИ. Подписавшие его страны должны будут следовать принципам ориентированного на человека и ответственного развития ИИ: содействие технологий ИИ инклюзивному росту, устойчивому развитию и благополучию, приоритетность человеческих ценностей и справедливости на всём жизненном цикле ИИ-систем, транспарентность и максимально возможная объяснимость ИИ-алгоритмов, надёжность, безопасность и устойчивость ИИ-систем, подотчётность ИИ-акторов. Эти же цели ставит перед собой созданное в 2018 г. Глобальное партнёрство по искусственному интеллекту (Global Partnership on Artificial Intelligence, GPAI). В его задачи входит, с одной стороны, ускорить развитие ИИ, а, с другой – способствовать международному консенсусу по ограничению использования технологий, предназначенных для контроля над гражданами или нарушения прав человека²¹. Для этого проводится соответствующая экспертная работа в области международных стандартов по ИИ, и прежде всего в области безопасности. На таких же принципах основана и Рекомендация по этическим аспектам искусственного интеллекта ЮНЕСКО (United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization, UNESCO), которая будет представлена государствам – членам этой организации²².

Поскольку использование квантовых компьютеров должно несоизмеримо усилить возможности ИИ, то этические проблемы этой области являются частью этики квантовых технологий. В последние годы крупнейшие американские ИТ-компании одна за другой сочли необходимым в интересах укрепления своей репутации создавать себе новый имидж сторонников «честной игры», предупреждая о смещённых выборках алгоритмов и связанных с этим рисков для различных социальных групп, ошибках алгоритмов и методов обработки данных²³.

Так, «Гугл», «Майкрософт» и «Алфабет» (Alphabet) в своих ежегодных отчётах во всеуслышание предупреждают инвесторов о потенциальных технологических, юридических и этических проблемах, связанных с их проектами искусственного интеллекта как о «факторах риска». Это должно поддерживать работу свободного рынка и даёт возможность компаниям урегулировать судебные иски и избежать репутационных издержек.

Таким образом, профессиональное ИТ-сообщество, исходя из полученного им в последние десятилетия печального опыта techclash, само поднимает вопросы о долгосрочном прогнозировании рисков, связанных с квантовыми технологиями. Крупный ИТ-бизнес, технократическая элита, испытав на себе в связи с ИИ и социальными сетями какими репутационными рисками и финансовыми потерями грозит ему неучёт возможных рисковых последствий использования технологий, не хотят повторения этого и в связи с квантовыми компьютерами. Этические инициативы закономерно приходят изнутри самого бизнес-сообщества.

Безусловно, вхождение в широкое использование квантовых технологий происходит в сложных условиях выявившихся рисков для ИТ-бизнеса. И это, с одной стороны, вселяет надежду на то, что человечеству удастся смягчить уже появившиеся на горизонте риски, связанные с их широким использованием, а с другой – уже сейчас ясно, что эти проблемы так велики и многообразны и связаны с самыми разнообразными измерениями жизни общества, в том числе политическими реалиями, международными отношениями, политикой, криминальной сферой, что это пугает своими масштабами и сомнениями в том, удастся ли их преодолеть. Впрочем, любые этические нормы, связанные с вхождением человечества в новый этап научно-технического прогресса, формируются с большим опозданием, на основе многочисленных ошибок и проблем. Именно поэтому начинать их создавать надо именно сейчас. Сам процесс обсуждения таких рисков поможет заблаговременно их выявить и опередить. И многое здесь зависит от позиции и стандартов, в том числе и этических, задаваемых такими крупнейшими странами – технологическими лидерами, как США и Китай.