Гендиректор Google Сундар Пічаї нещодавно на Всесвітньому урядовому саміті у Дубаї заявив, що перші "практично корисні" квантові комп'ютери з'являться за 5-10 років.
Квантові комп'ютери, на відміну від традиційних, використовують квантові біти, кубіти — одиниці інформації, які можуть одночасно перебувати в станах 0 і 1 та виконувати обчислення значно швидше. Це може призвести до відкриттів у хімії, медицині та багатьох інших галузях, де, наприклад, майже нескінченна кількість можливих комбінацій молекулярних зв’язків ставить у глухий кут класичні комп’ютери. У грудні 2024 року Google оголосила про прорив у виправленні помилок, що зробить їхнє використання доступнішим. Найдосконаліший квантовий комп’ютер Google має 105 кубітів, тоді як фахівці вважають, що для практичного застосування знадобиться 1 млн або більше.
Тож ми вирішили дізнатися, чим живе зараз світ квантових технологій та поговорили зі співзасновником британської компанії Aegiq, яка займається масштабними квантовими обчисленнями. Фізик та колишній киянин Максим Січ захистив дисертацію в Університеті Шеффілда і разом з друзями Андрієм Ямшановим та Скоттом Даффервілем заснував стартап Aegiq у 2019 році. Від початку Максим був CEO компанії, але нещодавно зайняв у Aegiq позицію Chief Innovation Officer та Director of Government & Partner Solutions. За майже 6 років компанія, яка займається квантовою фотонікою, змогла стати помітним гравцем на ринку квантових технологій, залучила більше £8 млн інвестицій, а також створила перший власний квантовий комп’ютер Artemis для Національного центру квантових обчислень Великобританії. За словами Максима, квантова фізика описує Всесвіт у його найменших і найбільш фундаментальних масштабах, тому є найбільш точним способом це зробити. Наш світ є квантовим і завжди таким був. Розповідаємо, як він виглядатиме через 10 років.
Що таке quantum computing?
Спочатку варто пояснити, що квантовий комп'ютер — це по суті фізичний обчислювальний пристрій, функціонування якого ґрунтується на принципах квантової механіки, зокрема, принципі суперпозиції та явищі квантової сплутаності. Особливість квантових часток, відома як суперпозиція, дозволяє їм перебувати в кількох станах одночасно. Це суперечить нашому інтуїтивному розумінню макросвіту, де об'єкти мають чітко визначене місце і стан. Квантовий комп'ютер відрізняється від звичайного комп'ютера зокрема тим, що класичний комп'ютер оперує даними, закодованими у двійкових розрядах (бітах), кожен з яких завжди перебуває в одному з двох станів (0 або 1), а квантовий використовує квантові біти (кубіти), які можуть знаходитися у суперпозиції станів.
Перші ідеї використання законів квантової механіки у обчисленнях з’явилися у 1980-х роках. Видатний фізик Річард Фейнман у 1982 році звернув увагу на те, що симулювати квантові процеси на звичайному комп’ютері надзвичайно важко, і запропонував концепцію машини, яка б працювала за квантовими принципами.
Ця ідея фактично заклала основи того, що сьогодні ми називаємо квантовим комп’ютером. Далі британський фізик Девід Дойч у 1985 році розвинув цю концепцію, сформулювавши теорію універсального квантового комп’ютера — тобто квантового аналога машини Тюрінга, здатного виконати будь-які обчислення. У своїй праці Дойч показав, що квантова машина теоретично може розв’язувати деякі задачі ефективніше, ніж класична, і навіть описав перший алгоритм для такої машини.
Про історію квантових обчислень від теорії до реальності читайте за лінком
Оскільки стартап Aegiq займається виключно квантовою фотонікою на основі напівпровідників, то слід пояснити, що фотоніка — це технології пов'язані з генерацією і застосуванням світла та інших видів променистої енергії, квантовою одиницею якої є фотон. З одного боку фотоніка — це фундаментальна наука, що вивчає фізичні основи відповідних явищ. З іншого — галузь технології, яка займається застосуванням цих знань до практичних задач.
Про стрімкий розвиток фотоніки говорить хоча б той факт, що цього року NVIDIA додала фотонні тенології в своє останнє покоління процесорів для ШІ. Зокрема, через більшу ефективність, ніж у вже звичної електроніки.
Ну і не можна не згадати про квантове програмування. Це галузь програмування, яка пов’язана з розробкою алгоритмів для квантових комп’ютерів. для цього потрібні спеціалізовані мови програмування для роботи з квантовими кубітами замість класичних бітів. Квантове програмування буде використовуватись для розв’язання складних завдань, які не можуть бути ефективно вирішені класичними комп’ютерами. Для квантового програмування було розроблено спеціальні мови програмування. Ось кілька найпопулярніших мов:
▪️Twist — відкрита мова програмування квантових комп’ютерів, яка заснована на Python і використовує відкритий вихідний код; мова підтримує симуляцію квантових обчислень і їх реалізацію на реальних квантових пристроях;
▪️Qiskit — відкритий набір інструментів для розробки квантових алгоритмів, створений компанією IBM; він містить у собі мову програмування Qiskit, яка заснована на Python і дає змогу створювати та симулювати квантові алгоритми, а також реалізовувати їх на реальних квантових пристроях;
▪️Cirq — відкрита мова програмування квантових обчислень, розроблена компанією Google; заснована на мові Python і надає інструменти для створення квантових алгоритмів та їх реалізації на реальних квантових пристроях;
▪️Quil — мова програмування квантових обчислень, розроблена компанією Rigetti; вона дає змогу створювати квантові алгоритми та реалізовувати їх на реальних квантових пристроях; використовує спеціальний синтаксис, який нагадує асемблерний код;
▪️Microsoft Q# — мова програмування квантових обчислень, створена компанією Microsoft; вона заснована на мові C# і дає змогу створювати квантові алгоритми, симулювати їх і реалізовувати на реальних квантових пристроях;
▪️Lightworks — мова програмування квантових обчислень, створена Aegiq, яка заснована на Python і дає змогу створювати та симулювати квантові алгоритми для фотонних квантових пристроїв, а також реалізовувати їх на і реальних.
Квантове програмування має безліч застосувань у різних галузях. Деякі з них включають криптографію, матеріалознавство, штучний інтелект і біоінформатику.
Згідно зі звітом Консорціуму квантового економічного розвитку (QED-C) під назвою "Стан глобальної квантової індустрії 2025", у поточному році галузь стрімко зростатиме завдяки прогресу в квантових обчисленнях, датчиках і комунікаційних технологіях, що підживлюється значним державним і приватним фінансуванням.
За оцінками фахівців, у 2025 році весь глобальний ринок квантових технологій сягне $1,88 млрд, що на 27,3% більше, ніж $1,48 млрд у 2024 році. Прогнози показують, що до 2029 року ринок може досягти оцінки у $4,89 млрд завдяки збільшенню обчислювальної потужності та попиту на безпечний зв’язок.
Втім, на думку співзасновника компанії Aegiq Максима Січа, насправді грошей у квантовій галузі буде набагато більше. "Щодо розвитку квантових технологій, то тут буде лавиноформуючий момент, який є типовим, коли технології тільки розвиваються і цей розвиток — нелінійний. Ми можемо про них нічого не чути допоки не перейдемо певний поріг їхнього впливу, після чого почнуться величезні зміни в нашому світі. Зараз це починає бути “гонкою озброєння”. Великобританія була першою в світі, де започаткували національну квантову стратегію, але зараз багато країн запустили свої програми. У Китаю є величезна програма, яка набирає обертів. У США програма набирає обертів, в Європі все збільшується. В росії також є програма, яка дивиться на квантові технології. Хоча вона суттєво менша. Всі ці програми по світу зараз в сумі мають близько $45 млрд виділених коштів на наступні роки виключно на розробку квантових технологій", — розповів фахівець.
Максим також пояснив нам, чим квантовий комп'ютер відрізняється від звичайного окрім кубітів. За його словами, коли виключно квантова механіка може описати природу процесу, тоді ми можемо отримати, бачити і спостерігати таке явище, як квантове сплутання. Використовуючи властивості цього квантового сплутання, ми можемо створити нове покоління технологій — зокрема, квантові обчислення, квантовий зв’язок або квантові сенсори.
"Ми можемо створити квантові пристрої на основі різних квантових частинок, наприклад, атома, або ж фотона. Вони можуть бути використані для того, щоб створити квантовий біт або кубіт. За рахунок квантового зв’язування, коли ми між собою "зв'яжемо" ці кубіти, то операції, які робляться на одному кубіті, будуть впливати на всі інші кубіти. На додачу, оскільки кубіти можуть існувати не в бінарному стані, а в стані так званої суперпозиції (тобто в континуумному стані), це дає можливість виконати дуже великий об'єм обчислень з відносно маленькою кількістю ресурсу — маленькою кількістю кубітів. Існує цілий набір алгоритмів, які за рахунок цього екстремального паралелізму обчислення на квантових комп’ютерах будуть в трильйони разів швидші, ніж ті, що можна зробити на цифрових комп'ютерах", — зазначив СІО компанії Aegiq.
Aegiq today: квантовий комп’ютер Artemis
Назва компанії Aegiq виникла від англійського слова aegis (егіда), в якому одна з букв стала квантовою. "Це квантова егіда. У нас завжди було бачення того, що нам потрібно зробити світ кращим і більш безпечним. Наша штаб-квартира знаходиться в Шеффілді, адже стартап створений на основі досліджень з Університету Шеффілда. З початку створення компанії ми залучили трохи більше £8 млн приватних інвестицій. Працюємо не тільки з Національним центром квантових обчислень Великобританії, а і з урядом. Зокрема, це стосується сфер національної безпеки і оборони. Також ми працюємо з деякими великими грандами світової аерокосмічної галузі, машинобудування", — розповів Максим Січ.
За словами фізика і підприємця, Aegiq займається лише фотонікою, тому що фотони — це найбільш стійкі частинки для зберігання квантової інформації. При цьому компанія має суто прагматичний підхід і використовує виключно напівпровідникові технології, адже це те, для чого вже існують виробничі потужності в світі. "Ці потужності нам ще треба розвивати і робити їх ще більш високотехнологічними, але основний пласт зроблений — вся мікроелектроніка, всі чипи, всі комп’ютери — це та екосистема, на основі якої ми працюємо. Те, що ми виробляємо, не вимагає якихось екстремальних вакуумів чи лазерів як інші квантові технології. В цьому однозначно краща масштабованість, можливість будувати великі процесори в майбутньому", — пояснив спеціаліст.
Так працює команда Aegiq; фото зі сторінки у LinkedIn журналу unLTD Business
У компанії Aegiq наразі працює 26 людей. Компанія повністю збудувала свої перші виробничі потужності, на яких відбувається певна частина складання власних приладів. "За останні декілька років ми виграли серйозні контракти на постачання. Постачаємо наш перший квантовий комп’ютер Artemis (Артеміда) до Національного центру квантових обчислень Великобританії. Наша технологія має унікальні можливості з масштабування, а також дає змогу робити комп’ютери, які невеликі за розміром, які не вимагають постійного нагляду — поставив і він працює", — розповів Максим.
Artemis займає декілька звичайних комунікаційних шаф, тобто є дуже невеликим. Це перший флагманський прототип компанії. Далі Aegiq вже починає працювати над наступним поколінням — відмовостійкими квантовими обчисленнями (Fault-Tolerant) з вбудованою функцією error correction (виправлення помилок).
"Паралельно з цим ми комерціалізуємо і виводимо на ринки продукти на основі технологій, які ми можемо серійно виробляти. Йдеться про комерційні продукти у сфері телекомунікацій та сенсорів. Один із наших великих проєктів, перший етап якого ми зараз закінчуємо — це система для моніторингу за станом комунікаційних мереж, яка використовує деякі квантові ефекти. Ми можемо паралельно до будь-якої комунікації в оптоволокні спостерігати, чи є якісь проблеми, або чи є якась зумисна дія, наприклад, прослуховування. Це актуально і для підводних кабелів, а також тих, які знаходяться під землею. Це більш близький до практичності застосунок, який є готовим прототипом. Зараз тестуємо дані можливості дуже успішно разом з British Telecom", — повідав фахівець.
Архітектура Aegiq передбачає існування кількох чипів для різних функціональних задач на основі compound semiconductors (складних напівпровідників), в яких використовуються різні види напівпровідників, наприклад, для створення кубітів, маніпуляцій (обчислення) чи зчитування. Тому комп’ютер Artemis складається з кількох різних чипів, які між собою утворюють невелику квантову мережу, за рахунок якої проводяться обчислення. А різні покоління чипів команда називає іменами невеликих міст поруч з національним парком Шеффілда. Щодо монетизації, то, на думку співзасновника компанії Aegiq, квантові технології — це гра в довгу.
"Цінність компанії, цінність нашої роботи залежить не тільки від того, який у нас прибуток, які контракти ми підписали, а і як швидко ми рухаємось по нашому технологічному roadmap. Це один із ключових факторів. Зараз основний фокус на тому, щоб цей технологічний roadmap рухався якомога швидше. В той же час ми використовуємо деякі з технологічних розробок для того, щоб випускати продукти на ринок. Наприклад, є сенсорна система, яку ми зараз тестуємо. Тому у нас гібридний підхід. Він сфокусований на розвитку технології для того, щоб бути першими людьми, чий квантовий комп’ютер буде дійсно корисний. Це буде швидше, ніж ми очікуємо. Прогрес, який ми отримали за останні 5 років — неймовірний", — заявив Максим. За словами фізика, з Україною Aegiq нажаль поки ніяк не співпрацює, але компанія завжди відкрита до спілкування — за виключенням деяких всім відомих підсанкційних країн.
Квантове майбутнє
Команда Aegiq прогнозує, що перші "практично корисні" квантові комп’ютери зможуть з надвисокою точністю емулювати (відтворювати) оточуючий світ. В першу чергу молекулярні структури, чи властивості матеріалів, починаючи з атомарної структури — тобто вчені зможуть симулювати, наприклад, кращі батарейки, зможуть зробити їх набагато більш ефективними. "Ми зможемо симулювати кращі добрива, матимемо можливість суттєво прискорити процес розробки ліків. Стане можливим симулювати з перших принципів яким чином, наприклад, згортається білок. Це те, що Google DeepMind вже дуже давно намагається зробити зі своєю ШІ-програмою AlphaFold. Це надзвичайно важке обчислення, яке навіть на суперкомп’ютері добре зараз не відбувається. Квантовий комп’ютер обчислює все з перших принципів. Це дасть можливість повністю переосмислити те, яким чином ми користуємося технологіями, які задачі ми з ними вирішуємо. Це буде трансформаційна технологія для всіх галузей. Вона змінить наше життя, як його змінили цифрові технології", — пояснив нам Максим Січ.
За його словами, більшість фахівців сходяться на тому, що в часових рамках 5-10 років відбудеться перший знаковий практичний квантовий прорив. "Сподіваємось, що через п’ять років квантові комп’ютери Aegiq проб'ють планку, після якої побачимо справжні корисні, практичні квантові комп’ютери. Тому зараз ми продовжуємо працювати над розробкою наступного покоління квантових обчислень, відмовостійкої архітектури, яка йде після Artemis. Ну і паралельно працюємо над практичними продуктами, які потрібні ринку: сенсори, обчислення, які базуються на квантовій теорії про те є, наприклад, цифровими. Ми вже бачимо цікаві результати, де отримуємо, наприклад, зменшення потреби в пам’яті від 10 до 100 разів для деяких специфічних обчислень. Тобто у нас такий двосторонній підхід до розвитку", — розповів фізик.
А ще Максим Січ дав декілька порад для тих, хто хоче розвиватися в науці.
"Є хороші безкоштовні курси від IBM, компанії Xanadu та інших, де можна дізнатися про програмування квантових комп’ютерів. Якщо хочеться глибоко працювати в секторі і бути розробником, то тут немає однозначної відповіді, тому що все залежить від того, куди більше хочеться. Дуже багато компаній відкриті до стажувань. А ще можна мотивувати своїх професорів долучатися до квантових проєктів. Найшвидший шлях для України отримати досвід науково-дослідницької діяльності — це бути частиною європейських програм таких як Horizon Europe".
Не слід забувати, що у зв’язку із розвитком квантових технологій існує і ряд ризиків. На думку експертів, одним із основних ризиків є геополітична нестабільність у світі. "Є багато варіантів того, хто і як буде використовувати квантові комп’ютери. Можуть бути як позитивні, так і негативні варіанти. Наприклад, розшифровка нашого нинішнього шифрування, яке ми використовуємо онлайн — це одна з тих речей, яку квантові комп’ютери будуть робити доволі добре. Якщо якісь bad actors отримають першими доступ до більш потужного квантового комп’ютера, це може створити асиметричну перевагу для них", — підсумував CІO компанії Aegiq.
За словами різних фахівців, квантові технології також мають подвійне призначення. Їхній потенціал може використовуватися як у цивільній сфері, так і у військових цілях. Через це США та низка інших країн ввели жорсткі обмеження на експорт квантових процесорів потужністю понад 34 кубіти, прагнучи зберегти стратегічну технологічну перевагу. Це пояснює гостроту конкуренції та політичне значення подібних наукових досягнень, які можуть докорінно змінити баланс сил у світі.
Ну і наостанок знову порадували британські вчені. Днями стало відомо, що дослідники з університетів Брістоля і Кембриджа успішно провели першу у Великій Британії відеоконференцію великої дальності з квантовим захистом. Йдеться про експеримент з використанням британської квантової мережі (UKQN). Ця мережа охоплює дві міські квантові мережі навколо Брістоля і Кембриджа, які з'єднані "магістраллю" з чотирьох оптоволоконних ліній великої протяжності протяжністю 410 кілометрів з трьома проміжними вузлами. До цього нікому не вдавалося побудувати велику мережу великої протяжності, яка могла б обробляти обидва типи квантового ключа, розподіл заплутаності та звичайне передавання даних одночасно. "Це важливий крок до побудови квантово-безпечного майбутнього для наших спільнот і суспільства. Що ще важливіше, це закладає основу для великомасштабного квантового інтернету", — заявив один із авторів дослідження доктор Руй Ван.