Хоч про неї мало пишуть, квантова технологія, дуже перспективна галузь фізики. Вчені з усього світу вивчають у лабораторіях квантову механіку та розробляють інновації на основі кванта — неподільної частки, атома або фотона. Смартфони та пласкі телевізори, якими ми користуємося щодня, є результатом вивчення та застосування квантових технологій. Створення квантового комп’ютера дозволить вивчати далекі планети та проводити надшвидкісні обчислення, здатні за лічені секунди розкласти числа 30–40 знаків на прості множники і відкрити доступ навіть до найзахищеніших даних.
Українці також зробили свій внесок у розвток цієї галузї, ставши одними з засновників британського стартапу Aegiq, що займається розробкою квантових фотонних технологій. У жовтні 2021 року команда отримала нагороду Business Startup Award від Британського інституту фізики за внесок у розвиток квантової науки. Стартап також подав патент на розроблену ним технологію. Про це та багато іншого розповів ITC.UA CEO & Co-Founder of Aegiq Максим Січ.
Содержание
Якщо почати здалеку, я закінчив кафедру квантової радіофізики Радіофізичного факультету КНУ ім. Т. Шевченка (зараз цей факультет має іншу назву – ФРЕКС). Потім я переїхав до Великобританії, де отримав ступінь PhD в University of Sheffield і займався науковою діяльністю.
Ще будучи студентами, ми знали, що квантові технології 2.0 ось-ось стануть реальністю. Вже тоді почали з’являтися перші стартапи та компанії, які працювали з квантовими обчисленнями та комунікаціями. Ми спостерігали за тим, як цей ринок поступово розвивався – починали з’являтися інвестиції та інвестфонди, які вкладали гроші в deeptech-стартапи, і зокрема в квантові технології. Aegiq ми створили як spin-off, тобто з частиною наукових розробок, які ми взяли з університету.
Як виникла ідея про створення стартапу? Ми просто спілкувалися, і в один момент побачили, що є певні можливості, які можна реалізувати, створивши власний стартап. З усіма моїми співзасновниками ми знайомі ще з університету або попередніх місць роботи. Наразі у нас працює 8 людей. Ми й досі наймаємо нових людей і прогнозуємо, що у нас і надалі з’являтимуться нові вакансії. Ми займаємось квантовими розробками і конвертацією цих технологій у конкретні продукти.
У нас є свої виробничі потужності та власний технологічний процес. Використовуючи їх, ми маємо можливість виготовляти наноструктуру у напівпровідниках, яка заснована на квантовій інтегральній фотоніці та використанні однофотонних джерел. Завдяки цьому ми можемо створювати цілу низку фотонних мікрочіпів, які можуть бути вбудовані в системи зондування, квантової обчислювальної техніки чи квантових засобів зв’язку. Ми також адаптуємо вже існуючі виробничі можливості для застосунків на квантовому рівні.
Квантові технології можна використовувати ще й на виробництві для точного калібрування якихось деталей та компонентів інших квантових систем. На це буде націлений один з наших перших продуктів – джерело одиничних фотонів для наукових досліджень – де у нас вже є попередні замовлення.
По суті, йдеться про перетворення квантової науки на технології, які покращують життя людей. Мета Aegiq полягає у тому, щоб перенести світові інформаційні ресурси до квантової ери. За допомогою квантових технологій ми прагнемо радикально змінити передачу даних як у космосі, так і на землі, а також зробити світ безпечнішим.
У нас є запатентована унікальна технологія, і ще чимало перебуває на стадії розробки. В deeptech і науковоємкому бізнесі це дуже важливо. У нас є унікальний підхід до організації роботи, а також власна бізнес-модель та бачення розвитку компанії. Ці речі є цінними, перш за все, для зростання компанії і залучення інвестицій.
Це такий самий прибутковий бізнес як і у компанії Cisco, яка продає обладнання і послуги. Ми не займаємось суто науковими дослідженнями, а створюємо реальні продукти, які можна поставити у дата-центрах або вдома. Звісно, за це треба буде заплатити.
Важко сказати, скільки буде коштувати, наприклад, квантовий комп’ютер або супутні квантові послуги. Найвірогідніше, що відбудеться така сама еволюція як завжди. Це точно не буде дуже дешевим спочатку, але по мірі розвитку технології, вона ставатиме якіснішою, швидшою і доступнішою.
В основному, ми працюємо з фотонікою. Унікальність нашої технології полягає у використанні інтегральної фотоніки, фотонних джерел та фотонних технологій. На її основі можна будувати процесори для різних квантових обчислень, а також створювати комунікаційні застосунки та сенсори. На даний момент ми розвиваємо технології квантової інтегральної фотоніки з прицілом на квантове шифрування і квантовий зв’язок.
Загалом, квантовий зв’язок подібний до цифрового. Якщо спрощувати, то у вас буде умовна коробочка – роутер чи модем – до якої під’єднуватиметься оптоволоконний кабель. Але канал при цьому вже буде не цифровий, а квантовий. Так само здійснюватиметься і передача даних. У порівнянні з цифровим квантовий зв’язок має величезну перевагу – у нього більш захищений канал, який практично неможливо зламати.
Ми розробляємо квантову фотоніку на основі III-V (виробництво мікросхем з галію, індію і миш’яку, а не кремнію), який вважається набагато кращим методом з точки зору надійності та безпеки, а також використовує існуючі технології промислової обробки. Наприклад, екран ноутбуку, на який ви зараз дивитесь, це фотонний пристрій. Ліхтарик, який розташований на задній кришці вашого телефону, теж фотонний пристрій. Єдине – ми зменшуємо кількість випромінювання до такого низького квантового рівня, який неможливо побачити.
Закони квантової фізики дозволяють це зробити. Якщо під час передачі інформації ви раптом перехоплюєте якусь квантову частинку, то ви ніколи не зможете дізнатися, яку інформацію вона містить у собі, не маючи додаткових даних від відправника. Якщо ви зараз вріжетесь в оптоволоконний кабель, то ви побачите одинички і нулики. Ви точно будете знати, що ви міряєте. Потім вам, звичайно, треба буде придумати, що з цим робити, але, тим не менше, дані ви зможете зняти і розшифрувати.
Якщо ви вріжетесь в квантовий канал, ви теж отримаєте якісь данні (1 і 0), але вони ніяк не будуть пов’язані з тими, які були передані. Квантова частинка несе інформацію, і якщо ви не знаєте в якому базисі ця інформація закодована, то ви ніколи не зможете її розкодувати.
Ви не зможете захиститись від усіх атак, але за допомогою квантового шифрування ви отримаєте можливість ефективно нейтралізувати деякі з них. Від найпростішого (перехоплення, яке ви блокуєте) до просунутих моментів (верифікації та ідентифікацій транзакцій від відправника). Завдяки квантовим технологіям стане просто неможливо підробити будь-який підпис. Все, що ви можете зробити, це знищити його при спробі підробки.
Важко врятувати людей, які використовують скрізь стандартні паролі. Але це можливо зробити більш безпечним. Звісно, квантові технології не панацея від усього, але вони займуть дуже серйозне місце і помітно покращать цю ситуацію.
Так чи інакше, звичайні дані будуть кодуватись в квантові пристрої і застосунки, які будуть зрозумілі людям. На перший погляд, інтерфейс квантових пристроїв складатиметься з цифрових даних, але усі вони матимуть кубітне представлення в середині. Це, зокрема, дає можливість зробити дуже потужні обчислення, оскільки обсяг інформації, яку містить, наприклад, 10 «сплутаних» (entangled, зв’язаних) кубітів, є набагато більшою, ніж просто 10 бітів.
Більш того, якщо застосувати обчислювальну операцію до однієї з сплутаних квантових частинок, то це вплине на стан усіх інших. Тому вони і називаються сплутаними. Існують певні алгоритми, зокрема квантовий алгоритм Пітера Шора, в якому вперше був застосований алгоритм для подібних квантових обчислень. Він якраз чудово підходить для зламування усіх ключів шифрування. Якщо це буде звичайний цифровий комп’ютер, то для того, щоб вплинути на усі десять бітів, вам потрібно буде зробити хоча б десять окремих цифрових операцій ― вони робляться по одній або паралельно.
Тепер, якщо у вас є тисяча зв’язаних кубітів, а не десять, то схема буде така сама, тобто одна операція впливає на тисячу інших. При зміні однієї квантової частинки, кубіта, змінюються усі інші частинки теж. Тобто ви однією операціє робите обчислення відразу на тисячу кубітів. Якщо ви це масштабуєте до мільйонів, то у вас просто буде шалене пришвидшення
Зокрема через цю потужність квантові комп’ютери несуть потенційну небезпеку для цифрової безпеки і засобів шифрування даних, які ми використовуємо повсякденно, починаючи від зв’язку з банком через додаток закінчуючи переглядом стрічки новин. Поки що вони не дійшли до такого рівня, який би загрожував нашій цифровій безпеці прямо сьогодні, але протягом наступних 5-10 років квантові комп’ютери можуть з’явитися у кількостях і потужності, яка буде нести загрозу. І, наприклад, поширене зараз AES-шифрування вже буде неактуальним. Наприклад, щоб розшифрувати доволі якісний ключ на 2048 біт зараз доведеться перебирати різні варіанти на HPC-кластері мільярди років. Це безпечно, оскільки ніхто не буде витрачати стільки часу на подібне розшифрування. На квантовому комп’ютері ця проблема вирішуватиметься за секунди.
Ба більше, є ризик, що кібершахраї можуть сьогодні записати всі дані, і зачекати, коли буде доступний достатньо потужний квантовий комп’ютер, щоб їх швидко розшифрувати. Це найбільший ризик для інформації, яка має залишатись конфіденційною протягом тривалого часу.
Для квантових технологій використовують різні платформи. Їх роблять з різних матеріалів і використовують різні квантові частинки, зокрема: фотони, атоми чи елементарні збудження в надпровідниках. Їхня мета якимось чином реалізувати кубіти. На практиці всі вони повинні бути локалізованими і існувати всередині якось чіпа. Завдання полягає у тому, щоб знайти потрібний матеріал, завдяки якому можна ізолювати квантові частинки
Ми використовуємо доволі звичні напівпровідники ― матеріали кремній, галій, арсен, алюміній та індій – це напівпровідники, які використовуються під час створення кубітів. Там нічого нового у плані матеріалів немає. Той самий кремній можна знайти у всіх мікрочипах. Якщо йдеться про напівпровідників для кубітів, то там застосовується трішки інша технологія, яка передбачає виготовлення наноструктур із застосуванням стандартних матеріалах. Це дає можливість працювати на квантовому рівні
Іноді деякі розробники використовують атоми, які ізолюються в спеціальних наномагнітних полях. У IBM, наприклад, використовують кремнієві і сапфірові пластини, на поверхню яких наносять метали, які стають надпровідниками.
Взагалі квантові технології цього покоління поділяються на три ніші – обчислення, зв’язок і сенсори. До сенсорів включають і надточні годинники, надточні сенсори гравітації, надточні сенсори газу тощо. Надточні сенсори гравітації можуть потенційно забезпечити GPS позиціонування з точністю до міліметрів. Це неймовірно круто!
Наразі квантові комп’ютери в основному використовують для вирішення простих оптимізаційних проблем. Наприклад, швидкий пошук у базах даних, оптимізація портфоліо або обчислення складних молекул та білків. Звичайні комп’ютери не можуть їх точно порахувати, оскільки це займає надто багато часу. Якраз з такими складними завданнями здатні впоратися лише квантові комп’ютери. Деякі спеціалісти вже протягом 10-15 років працюють над складними квантовими питаннями, пов’язаними з гідродинамічними та аеродинамічними процесами.
Квантовий зв’язок, передбачає в першому поколінні просто передачу ключів шифрування за допомогою квантового каналу, але надалі, це розвинеться в повноцінний «квантовий» інтернет, так як у нас зараз є цифровий інтернет. Звучить трохи як фантастика, але ми до цього ідемо!
Кубіт – це квантовий біт. Цифровий біт – це імпульс, який, наприклад, рухається по дротам або комп’ютерній платі. Це означає, що є, припустимо, 100 тисяч електронів, які летять в одному напрямку. Якщо у вас є оптоволокно, то у імпульсі кожна 1 чи 0 буде створювати, наприклад, мільйон фотонів. Якщо вам потрібно створити кубіт, то все, що вам потрібно зробити, це ізолювати єдину квантову частинку замість великої кількості, як в цифрових технологіях. Вам при цьому знадобиться лише один атом, фотон або електрон. Ідея полягає у тому, щоб у вас була ізольована елементарна частинка.
Уся складність у тому, що фотон треба утримувати, контролювати та зберігати. Один невірний крок у вигляді шуму чи якоїсь похибки і ви цю маленьку частинку можете втратити назавжди.
Такі сервіси вже існують на хмарних платформах Amazon Braket та Microsoft Azure Quantum. Ними може скористатися будь-хто, попросивши до них доступ. Ба більше, люди можуть навіть написати код для квантових обчислень. Вже навіть проводять квантові hackathon-и.
Над квантовими обчисленнями зараз вже працює багато компаній, серед яких такі гіганти як IBM, Microsoft та Googlе, нові стартапи такі як Psi Quantum, Atom Computing, Quantinuum, Xanadu, Rigetti, IonQ, Cold Quanta, IQM та інші. Нещодавно D-Wave оголосили про свій вихід на фондову біржу через SPAC.
У майбутньому використання квантових обчислень буде схоже на використання штучного інтелекту (AI, machine learning) у сучасних комп’ютерних системах. Логіка роботи machine learning має велике перекриття з тим як працює квантовий комп’ютер, яка теж частково статистична. Буде доступ до сервісів, які використовують квантові обчислення або квантові дані в якомусь аспекті надання цього сервісу. Можливо, у вас буде якийсь маленький криптографічний чіп на комп’ютері. Можливо, це буде десь у хмарі, але ви не матимете квантовий комп’ютер як такий. Буде звичайний комп’ютер, у якого буде працювати квантовий прискорювач. Наприклад, всі процесори сьогодні на новій архітектурі мають у якийсь прискорювач AI. Просто потрібно буде купити новий комп’ютер, у якому будуть закладені подібні нові технології. Можна вже зараз спрогнозувати, що років за 10, наприклад, Тім Кук вийде і представить новий Mac, у якого всередині буде вбудований квантовий чіп.
Квантові технології використовують для оптимізації виробничих процесів (наприклад, для прокладання складних маршрутів для кур’єрів чи роботи великих складів). Сучасним комп’ютерам важко обрахувати подібні задачі, оскільки необхідно врахувати кількість варіантів маршрутів і можливих варіантів зупинок зростає по експоненті, і для масштабних компаній це стає проблемою.
Квантові технології також можна застосувати на для оптимізації іновестиціних портфелів при роботі на біржах. Наприклад, ви хочете придбати акції, але на біржі доступна безліч варіантів. Які купити акції і коли їх продати, щоб заробити якомога більше? Якщо до тисяч різних компаній додати попередню історію акцій, економічну динаміку, динаміку сектору і т.д., то виникає задача яку під силу вирішити тільки вже квантовим технологіям.
Квантові технології призведуть до значних успіхів у фінансовій, оборонній, аерокосмічній, енергетичній, інфраструктурній та телекомунікаційній сферах.