Как Швейцария развивает квантовые технологии?

Физик Николя Гизин из Женевы стал с недавних пор вместе со своей лабораторией лидером в области квантовой криптографии. Keystone / Salvatore Di Nolfi

Швейцарские ученые добились немалого прогресса в области квантовой физики, проблема только в том, что пока они вынуждены обходиться без Европы.

Гиперболоид инженера Гарина, «Звездные войны», роботы-андроиды из романов Исигуро и Макьюэна — раньше квантовые технологии были частью канона научной фантастики, в последние годы они активно разрабатывались в более секретных и менее секретных ННИ, лабораториях и «почтовых ящиках», но теперь, как видно, мы стоим на пороге качественно нового этапа превращения законов квантовой физики в продукцию, востребованную на потребительском рынке.  

Швейцария относится к ведущим научным державам мира, за первые 20 лет нового века в ней была создана благоприятная инновационная среда на стыке частной экономики, государственных дотаций, академической науки и активно развивающейся экосреды стартапов. Разумеется, она тоже хотела бы успеть вскочить на этот поезд и поэтому она сама запускает свою собственную «квантовую инициативуВнешняя ссылка». Плохо только, что как раз сейчас она не может положиться на потенциал европейских программ финансирования передовой науки.

А между тем Соединенные Штаты, Китай и Европейский союз инвестируют сейчас сотни миллионов в продукцию на основе квантовых технологий. Швейцария старается не отставать. За последние двадцать лет Национальный научный венчурный фонд передовых исследований (SNSF), Университеты и частная экономика выделили на эти цели почти 330 миллионов франков. За счет этой суммы были созданы сразу три Национальных центра передовой экспертизы в области квантовых исследований (NCCR), последний из которых начал свою работу в 2020 году.

Каковы результаты? В пресс-релизах SNSF говорится, например, что швейцарские исследователи внесли вклад в «демонстрацию сверхтекучего состояния поляритонных конденсатов», продвинули технологию «квантовых каскадных лазеров» или работают над созданием «надежных, быстрых, компактных и масштабируемых кремниевых спиновых кубитов». Что, простите? Поляритонные кто? Не волнуйтесь, я сам мало что в этом понимаю. Хотя звучит, признайтесь, великолепно. Однако факт остается фактом: квантовая физика все еще остается для всех нас загадкой, даже для ученых, посвятивших этому предмету всю свою научную карьеру.

Почему так происходит? Потому что квантовый мир управляется иными законами, нежели мир привычной нам ньютоновской физики, в котором яблоко, если оно висит вверху, обязательно потом упадет вниз. В мире квантов это яблоко может упасть вверх, и вообще в нем, вопреки утверждениям Ломоносова и Лавуазье, нечто может появляться из ничего. Так, скорее всего, и возникла 13 с лишним миллиардов лет назад наша вселенная. Уравнения, с помощью которых описываются такие состояния, противоречат здравому смыслу, и именно поэтому ученым так и не удается создать «теорию всего». В самом деле, как должна выглядеть теория, в рамках которой дважды два равно четырем и одновременно не равно четырем? Как говорится, понять это невозможно, это учить надо!

Уже на рынке

Так или иначе, но все это как-то, но работает! И это главное, потому что пока физики-теоретики ломают себе голову над парадоксами и противоречиями, физики-практики и инженеры-прагматики пытаются подковать эту квантовую блоху и вывести на рынок совершенно конкретные виды потребительской продукции. Один из них Николя ГизинВнешняя ссылка из Женевы, который стал с недавних пор вместе со своей лабораторией лидером в области квантовой криптографии. Созданный на этой основе стартап ID QuantiqueВнешняя ссылка вот уже два десятка продвигает на рынок систем шифрования, претендующих на звание неприступных. Среди ее продукции находятся также генераторы случайных чисел (нечто похожее уже применяется в смартфонах Samsung) и квантовых датчиков, способных измерять свет с точностью… нет, не до миллиметра, а гораздо, гораздо точнее.

Так называемый квантовый диспенсер ключей шифрования четвертого поколения от швейцарской компании ID Quantique. Продукция этого стартапа из Женевы используется правительствами, компаниями и лабораториями в более чем 60 странах мира. IDQ

Такие квантовые датчики, изготовленные компанией Qnami Внешняя ссылкаиз Базеля, по меньшей мере в сто раз точнее обычных датчиков. Они используются в частности для определения характеристик материалов или обнаружения дефектов в компьютерных чипах, но они также очень важны для исследований в области медицины, биологии и химии. Еще одна стартап-компания, появившаяся в этой сфере, называется Alpes LasersВнешняя ссылка, она производит так называемые квантово-каскадные лазеры, о которых уже говорилось выше. Этот тип инфракрасного лазера, излучающего в ближнем и дальнем инфракрасном диапазоне, уже широко используется в научных исследованиях, в промышленности и медицине. Он не имеет себе равных в плане точности обнаружения и анализа газов и других химических веществ.

Швейцария хочет шагать в ногу со всеми

Квантовые технологии сейчас очень популярны, в СМИ в последнее время возник целый «хайп» вокруг квантовых компьютеров, способных в теории решать в считанные секунды задачи, на решение которых у обычных компьютеров ушла бы вечность, в прямом смысле. Однако интерес в СМИ — это одно, а реальные инвестиции – это совсем иное. По данным американской компании Boston Consulting Group (BCG), этот сектор только в последние три года привлек финансирования на сумму более двух миллиардов долларов, и это только за счет частных инвесторов. К этим суммам необходимо добавить еще и государственную бюджетную поддержку.

Очевидно, что тут должен лидировать Китай, но Пекин не хочет раскрывать, сколько он инвестирует в эту сферу. Что же касается будущего рынка для всех соответствующих видов продукции, то, по оценкам BCG, он может достигнуть 450-850 миллиардов долларов уже в течение следующих 15-30 лет. Поэтому логично, что Швейцария также решила запустить свою «квантовую инициативу». Сумма, которую Конфедерация выделяет на проект, — 10 миллионов франков на два года — тем не менее кажется довольно скромной. Николя Гизин, который является еще и президентом недавно образованной Швейцарской квантовой комиссии, согласен с этим.

«На самом деле целью должны быть хотя бы 20 миллионов в год. На эти деньги следовало бы в приоритетном порядке финансировать те области, в которых Швейцария уже традиционно сильна, а также обучать не только собственных ученых, но и инженеров, а также квалифицированных рабочих, а они давно уже не имеют ничего общего со слесарем в промасленном синем халате. Отдельная задача —  поддерживать начинающие стартап-компании».

Поиски Священного Грааля

Ну и, конечно, речь идет о квантовом компьютере, о котором мы уже упоминали. Николя Гизин предлагает пока не восхищаться и, как говорится в одном известном ситкоме, «умерить свой энтузиазм». «Сейчас на самом деле следует скорее говорить о создании прототипа квантового процессора, то есть машины, которая находится в особых лабораторных условиях и к потенциалу которой можно было бы обращаться дистанционно через Интернет. Швейцария может и должна участвовать в создании такого процессора, не отдавая все на откуп американцам, европейцам или китайцам».

Октябрь 2022 года: президент США Джо Байден в гостях у IBM, и, кажется, его очень заинтриговал квантовый компьютер. Copyright 2022 The Associated Press. All Rights Reserved

В теории вычислительная мощность такого компьютера может быть феноменальной. Еще в 2019 году Google утверждал, что его процессор Sycamore способен за 200 секунд выполнить количество вычислительных операций, на которое обычному даже суперкомпьютеру потребовалось бы 10 000 лет. Компания IBM тут же заявила, что это невозможно и что тут речь должна идти по меньшей мере о двух с половиной днях. Так или иначе, ясно, что мы имеем дело с чем-то невероятным. Вопрос только — а где и как можно было бы применять такие компьютеры? Для увеличения количества известных нам знаков после запятой в числе «ПИ»? Интересно, конечно, и, может быть, и важно, но пока все это не выходит за рамки маркетинговых битв.

Николя Гизин говорит, что обещание поставить на рынок универсальный пользовательский квантовый компьютер уже через 5-10 лет является явным преувеличением. Тем не менее проблемы, которые уже сейчас можно было бы решать при помощи квантового компьютера, есть, и это вполне себе значимые прикладные проблемы. Например, квантовые процессоры могут оказаться очень полезными в ходе проектирования и создания новых химических молекул с заранее заданными свойствами. Тут перед нами открывается воистину бесконечное поле экспериментов и реальных видов продукции —  от новых лекарств до особо эффективных солнечных батарей.

При этом, конечно, как говорит Николя Гизин, «квантовые вычисления могут быть использованы как во благо, так и во вред. Но это относится вообще к любой технологии. Квантовая криптография может быть использована для защиты клиник, больниц и других объектов критической инфраструктуры от хакерских атак. С другой стороны, ее могут использовать террористы и прочие преступники, с тем чтобы оставаться незамеченными в социальных сетях и в целом в интернете. Зато квантовые компьютеры могут использоваться для расчета более точных моделей прогнозирования в области финансовых рынков, притом что сам по себе фондовый рынок тоже является своего рода генератором случайных чисел».

Вне Европы

Остается нерешенным вопрос отношений с Европой. Прервав консультации с Брюсселем по вопросу заключения Рамочного соглашения, Берн сам катапультировал швейцарскую науку за пределы программы Horizon Europe —  важнейшей европейской программы финансирования передовых научных исследований. Цена вопроса —  95 млрд евро на период до 2027 года. Швейцария не может пока претендовать на долю этого пирога, притом что это вопрос не только денег, но и связей, академических обменов, научного сотрудничества, а также выхода швейцарских компаний, уже имеющих у себя в портфолио «виды квантовой продукции», на европейский рынок. 

Клаус Энсслин, профессор ВТШ Цюриха (ETHZ), убежден, что Швейцария способна сыграть ключевую роль в развитии квантовых технологий. ETH Zurich/D-PHYS Heidi Hostettler

Николя Гизин оценивает ситуацию в качестве «драматической». «Ученые не могут сидеть в одиночестве в своих офисах. Они должны разговаривать с коллегами, обмениваться идеями, бросать друг другу вызовы, конкурировать. И тут наши естественные партнеры — это прежде всего европейцы». Цюрихский коллега Николя Гизина Клаус Энсслин, который уже 12 лет как возглавлял программу «Квантовая наука и технологии», считает, что «сейчас наука стала заложницей политики. А ведь квантовые исследования — это жемчужина в швейцарской короне научных исследований и инноваций, и вот теперь все было принесено в жертву политическим разногласиям. Их последствия, особенно для молодых ученых, будут очень тяжелыми».