Статья опубликована в № 3943 от 21.10.2015 под заголовком: Технологический ренессанс: Получить долю кванта

Получить долю кванта

Директор Российского квантового центра Руслан Юнусов о том, как России получить свою долю в квантовой экономике будущего

Западные страны серьезно опережают нас в области технологий не потому, что у них больше ученых или инженеров либо они талантливее наших. Продолжающаяся уже много десятилетий утечка мозгов подтверждает, что у нас еще есть чему утекать. Решающее преимущество технологических лидеров заключается в отлаженном конвейере превращения научных открытий в технологии, а затем в массовые продукты, без которых уже не мыслит свою жизнь современный человек.

Эта система работает с положительной обратной связью: доходы от продажи массового продукта позволяют больше вкладывать в новые технологии, а затем и в собственно прикладные и фундаментальные исследования, которые, в свою очередь, позволяют создавать новые конкурентоспособные технологии и продукты.

Основой этого конвейера помимо государства являются гиганты современного высокотехнологичного рынка, которые могут тратить значительные суммы на разработки с неочевидным и негарантированным результатом, скупая подающие надежды стартапы на начальных стадиях.

В России пока нет таких конвейеров, и нынешние условия не способствуют их появлению. Технологические разработки мирового уровня в нашей стране ведутся в интересах обороны, в авиации или в космонавтике – т. е. выход на массовый рынок в этом случае исключен. Мы можем делать лучшие в мире истребители, ракеты и космические корабли, но пока нам не удается производить конкурентоспособные потребительские товары – компьютеры, планшеты или автомобили. Мы можем создавать уникальные приборы для узких рынков, где не будет серьезной экономической перспективы. Но очевидно, что российские компании сейчас не в силах догнать гигантов электроники или автопрома.

Конец закона Мура

Возможно, у нас есть шанс выиграть гонку, когда начнется следующая технологическая революция. Где же она произойдет?

Электроника была основной движущей силой мировой экономики в последние десятилетия. В соответствии с законом Мура производительность компьютеров удваивалась каждые два года: если частота 286-го процессора в начале 1990-х гг. была около 5 МГц, то через 20 лет тактовая частота процессоров Intel достигла почти 5 ГГц – т. е. скорость одной элементарной операции выросла примерно в 1000 раз. Параллельно уменьшался размер транзистора. Процессоры, которые раньше содержали тысячи транзисторов, теперь состоят из миллиардов, причем размер самого чипа стал даже меньше. В итоге телефон iPhone 5s, который помещается в кармане, в 113 раз мощнее суперкомпьютера Cray-1, запущенного в 1976 г. в ядерном центре Лос-Аламоса.

Однако пределы роста уже близко. Сейчас темпы замедляются, теперь для удвоения производительности требуется скорее 2,5 года. Это приведет к негативным последствиям для экономики – обозреватель The Telegraph Мэтью Линн предсказывает увеличение сроков и удорожание стоимости разработки инноваций. По его мнению, конец закона Мура приведет к тому, что снизится вероятность появления прорывных инноваций, а рынки закрепятся за существующими крупными игроками, использующими более традиционные технологии. И все эти глобальные изменения – следствие того, что в ближайшие пять лет размеры транзисторов должны достичь значений, при которых нормальная работа полупроводников уже невозможна. На масштабах, сопоставимых с размерами атома, начинают включаться квантовые эффекты.

Чтобы преодолеть этот барьер, нужны принципиально новые технологии, смена парадигмы, подобная той, что произошла, когда полупроводниковые транзисторы закрыли эру вакуумных ламп.

Где же произойдет прорыв? Возможно, привычные транзисторы, в которых информация кодируется в электрических зарядах, сменят спинтронные устройства, где эту роль играют магнитные моменты (спины) электронов. Другой вариант: появление компьютеров, основанных на использовании взаимодействий фотонов и электронов, где информация будет передаваться с помощью колебаний электронной плазмы – плазмонов, которые в отличие от оптических элементов можно уместить в нанометровые чипы. Однако, несмотря на совершенно другую элементную базу, здесь речь идет о классической компьютерной логике и классических алгоритмах.

Квантовый компьютер, который основан на принципиально иной логике, может полностью изменить сферу информационных технологий. Если биты, единицы хранения информации обычного компьютера, всегда находятся в одном из двух состояний – либо 0, либо 1, то ячейки квантового компьютера (кубиты) находятся одновременно и в 0, и в 1. За счет этого квантовые компьютеры смогут практически мгновенно решать задачи, принципиально недоступные самым мощным классическим супер-ЭВМ.

Например, для взлома алгоритма шифрования RSA, который сейчас широко используется в системах электронных платежей, необходимо быстро находить сомножители больших чисел. Для поиска сомножителей числа из 400 знаков современному суперкомпьютеру понадобится 10 миллиардов лет – чуть меньше возраста Вселенной. Достаточно мощному квантовому компьютеру на решение этой задачи нужны будут минуты. При этом квантовые технологии могут обеспечить и абсолютную защиту криптографических систем. Квантовые системы защищенной связи позволяют полностью исключить риск прослушивания.

Еще один потенциальный прорыв – рынок сенсоров. Микроскопические детекторы на основе отдельных атомов, практически вечные, способные получать энергию для работы из окружающих нас радиоволн, могут сделать наш мир цифровым и реально интерактивным. Современные идеи интернета вещей и умных домов предполагают использование полупроводниковой электроники, но квантовые и спинтронные сенсоры смогут сделать эти технологии действительно эффективными.

Что нужно для квантового скачка?

Мир сейчас находится на пороге смены технологической парадигмы, когда место традиционной кремниевой электроники займут принципиально новые устройства. В ближайшем будущем, может быть менее чем через 10 лет, появится новый гигантский рынок для этих устройств – объемом в триллионы долларов. Поэтому уже сегодня нужно разрабатывать технологии и продукты для этого будущего рынка – тот, кто окажется на нем первым, сможет собрать невероятный урожай.

Крупные корпорации понимают это: Google, Intel и даже китайский интернет-ритейлер Alibaba вкладывают десятки миллионов долларов в проекты создания квантовых компьютеров. Несмотря на всю фантастичность, такие компьютеры могут появиться в ближайшие 10–15 лет. Уже сейчас производятся устройства с кубитами на основе фотонов, алмазов с азотными вакансиями, холодных атомов, контактов Джозефсона.

У России неплохие стартовые позиции для участия в битве за будущий высокотехнологичный рынок. Наша научная школа в фотонике, плазмонике, квантовой физике остается одной из самых передовых в мире. Мы уже сейчас разрабатываем уникальные сенсоры, системы защищенной связи, элементы квантовых компьютеров. В мае 2015 г. первый кубит из четырех контактов Джозефсона был создан в России учеными из РКЦ, МФТИ, ИФТТ и МИСиС. Но для того чтобы эта работа принесла плоды, нужно построить цепочку от науки к технологиям, от прототипов к массовому серийному производству. Нужно, чтобы наши решения, наши находки послужили для роста нашей экономики.

Путь к этому – создание среды, дружелюбной для высокотехнологичного бизнеса, для малых технологических компаний. В нынешних условиях тяжело убеждать рисковать и вкладывать в новые технологии.

В университетах должны быть курсы, которые были бы реально полезны студентам, захотевшим основать новые компании. Конечно, знание макроэкономики (которую сейчас читают даже на естественно-научных факультетах) полезно, но требуется еще и владеть инструментарием: уметь зарегистрировать юридическое лицо, знать, кто такие акционеры, как вести бухучет и проводить финансовый анализ результатов, как готовить бизнес-планы, выводить продукты на рынок и привлекать инвесторов. Ответы на такие вопросы должен знать любой выпускник технического вуза. Только тогда абстрактное желание создавать что-то новое получит шанс на реализацию.

Следующий важный момент – создание живой экосистемы: мест, где сосуществуют исследователи, инноваторы, инвесторы и индустрия. В мире такими центрами выступают университеты, вокруг которых возникают территории опережающего развития. Самый известный пример – это кластер MIT и Гарварда в Бостоне, в котором расположены десятки передовых технологических компаний.

В этом смысле создание фонда «Сколково» было шагом в правильном направлении. Однако один такой фонд не изменит ситуацию в корне. Фондов и других форм поддержки предпринимательства должно быть много. При этом нужно понимать, что эта работа не принесет плодов мгновенно, нельзя, едва посеяв семена, тут же собирать урожай – а именно быстрого результата ждут от компаний, которые поддерживает «Сколково».

Сейчас технологическая политика страны основана на идеологии импортозамещения, что в переводе означает «осваиваем давно известные технологии, чтобы не покупать на Западе». Это необходимо для обороны и безопасности, но с точки зрения стратегии нельзя ограничивать себя этими рамками – нужно развивать новое, чтобы не обрекать себя на технологическое отставание. Государству следует целенаправленно поддерживать компании, которые развивают технологии будущего. Необходима система трансфера технологий от малых высокотехнологичных компаний, где создаются прототипы и предсерийные образцы, к большой промышленности, к массовому продукту.

Если эта цепочка будет построена, усилия наших ученых и инженеров не пропадут зря, а Россия получит шанс стать одним из лидеров новой технологической гонки и одной из тех стран, которая будет определять облик цивилизации на следующие 100 лет.

Автор – генеральный директор Российского квантового центра

Цикл «Технологический ренессанс» выходит при поддержке форума «Открытые инновации».