![](http://russiancouncil.ru/upload/iblock/680/quantum0.jpg)
Что такое квантовые технологии?
Квантовые технологии — перспективная область физики, изучающая квантовую механику. На ее основе разрабатываются уже известные инновации — смартфоны и ультратонкие мониторы, а также квантовые вычисления (квантовые компьютеры), коммуникации и сенсорика. Отличительная черта современного этапа развития квантовых технологий — возможность направленного воздействия на одиночные квантовые объекты — атомы, ионы, электроны или фотоны (это новый технологический уровень в этой сфере).
Основные направления развития следует разделить на 3 направления:
- Квантовые сенсоры — сверхчувствительные и сверхточные датчики и сенсоры для различных задач. Применяются в таких сферах, как медицина, археология, спутниковая связь и пр.
- Квантовые коммуникации — защищенные (на основе явлений квантовой механики) сети и каналы связи. Способны защитить от кибератак, осуществляемых с помощью квантовых компьютеров.
- Квантовые компьютеры — перспективные вычислительные устройства. Для обработки и передачи данных используются явления квантовой механики.
На текущий момент большинство разработок в сфере квантовых технологий используются в лабораториях. Что касается коммерциализированных проектов, то они зачастую представляют собой либо сырую технологию, либо имитацию. Имеющиеся ограничения связаны с поиском эффективных методов увеличения мощности и действенных инструментов защиты от воздействия окружающей среды для предотвращения ошибок. Прототипы тестируются учеными-исследователями и корпорациями, но оборудование все еще слишком нестабильно (чтобы решать какие-либо практические задачи) и подвержено ошибкам. Однако потенциал технологии высок, поскольку, с одной стороны, позволяет проводить исследования и расчеты сверхбыстро, а с другой — открывает возможности для более точного и более быстрого моделирования молекулярной биологии, физики частиц или задач оптимизации, а также открывает новые возможности в сфере криптографии и информационной безопасности, развития искусственного интеллекта и машинного обучения.
В разработку в сфере квантовых технологий вовлечены как государственные университеты и научно-исследовательские центры, так и частные компании, университеты и стартапы.
Вовлеченность университетов
Университеты и научно-исследовательские центры — активные участники исследований и разработок в сфере квантовых вычислений, поскольку обладают значимыми ресурсами: квалифицированным научно-исследовательским персоналом, наработками фундаментальных исследований, необходимой инфраструктурой, государственными грантами, а также возможностью привлечения частных компаний в процесс исследования и разработок. В Таблице 1 указаны наиболее финансируемые университеты с сильными исследовательскими командами на 2022 год. При рассмотрении университетов с академической точки зрения (получения степени в сфере квантовых технологий) неоспоримое лидерство находится у США. Американские университеты занимают все места ТОП-10.
Табл.1. Университеты с финансируемыми исследовательскими программами.
Университет и действующая программа (при наличии названия) | Страна |
---|---|
The Institute for Quantum Computing – University of Waterloo | Канада |
University of Oxford | Великобритания |
Harvard University – Harvard Quantum Initiative | США |
MIT – Center for Theoretical Physics | США |
National University of Singapore and Nanyang Technological University – Centre for Quantum Technologies | Сингапур |
University of California, Berkeley | США |
University of Maryland – Joint Quantum Institute | США |
University of Science and Technology of China (USTC) – Division of Quantum Physics and Quantum Information | Китай |
University of Chicago – Chicago Quantum Exchange (CQE) | США |
University of Sydney – Australia | Австралия |
Quantum Applications and Research Laboratory at LMU Munich (QAR-Lab) | Германия |
University of Innsbruck – Quantum Information & Computation | Австрия |
О результативности вовлечения университетов в квантовые исследования можно судить по их патентной активности (Рис.1). Имеющиеся данные позволяют оценить участие и других стран. Стоит отметить значительную вовлеченность Китая и Республики Корея, научно-исследовательские команды которых проявляют высокую результативность в фундаментальных исследованиях квантовых технологий.
Рис.1. Количество патентов в сфере квантовых вычислений за 2015–2017 гг.
![](http://russiancouncil.ru/upload/iblock/003/quantum1w.jpg)
С каждым годом все больше университетов вовлекаются как в процесс исследований и разработок в рассматриваемой сфере, так и получают финансирование для подготовки квалифицированных кадров, что позволяет сделать вывод о развитии фундаментальных и прикладных знаний в сфере квантовых технологий, а также об увеличении квалифицированного персонала как в научно-исследовательских организациях, так и в корпоративном секторе.
Патентная активность в сфере квантовых технологий
Если рассматривать объемы регистрируемых патентов в сфере квантовых технологий вне зависимости от типа участников в целом по миру, то среди стран с наиболее активной регистрацией патентов первую строчку занимают США, которые выдали примерно половину от общего числа патентов за рассматриваемый период, затем — Китай, Япония и Европейское патентное бюро (Рис. 2).
Рис. 2. Количество патентовна квантовые технологии по странам/регионам (с 2011 по 2020 гг.). Данные относятся к стране, в которой подана заявка на патент, а не к местонахождению организации, подающей заявку.
![](http://russiancouncil.ru/upload/iblock/003/quantum2w.jpg)
При рассмотрении накопленных данных на более длинном периоде — с 1991 по 2020 гг. — список стран-лидеров преображается (ранжированы по накопленному количеству патентов): США, Япония, Канада, ЕС, Китай, Австралия, Республика Корея.
Общий тренд на регистрацию и получение патентных заявок с каждым годом неуклонно растет, в среднем увеличивая объем на треть. Рассмотренные данные позволяют понять как уровень активности в сфере квантовых технологий в каждой из стран, так и географическое распределение рынков.
Также необходимо учитывать и такой драйвер развития квантовых технологий, как вовлеченность частных компаний, корпораций и стартапов в научные исследования и разработки, часть из которых находит практическое применение. Результатом их деятельности по направлению НИР следует рассматривать число патентов (Рис. 3 и Рис. 4).
Рис. 3. Компаниис наибольшим количеством выданных патентов в сфере квантовых вычислений (с 2011 по 2020 гг.).
![](http://russiancouncil.ru/upload/iblock/003/quantum3w.jpg)
С 2011 по 2020 гг. общее количество выданных патентов в сфере квантовых вычислений среди корпоративного сектора приблизительно возросло в 4 раза, при этом активный рост начался с 2018 года. Компании D-Wave и IBM владеют примерно одной пятой от общего числа патентов, при этом в последние годы значительно увеличилась активность IBM и Google. Половина из 10 ведущих компаний имеют штаб-квартиры в США (IBM, Northrop Grumman, Google, Microsoft и Rigetti), и вместе они владеют 60% от общего числа патентов.
Что касается патентной деятельности в области квантовых коммуникаций, большая часть которой связана с технологиями распределения квантовых ключей (QKD), то в этом направлении доминируют организации, базирующиеся в Японии и Китае. Компании и организации (университеты) с большим количеством патентов базируются за пределами США, при этом, в отличие от сферы квантовых вычислений, на текущий момент отсутствует явный лидер в патентовании квантовых коммуникаций, который оставался бы таковым в долгосрочном тренде. Наибольшее накопленное количество патентов принадлежит Toshiba (около трети всех патентов), причем их число остается относительно стабильным лишь за короткий двухлетний период. У некоторых других игроков показатели в последние годы ниже (например, у занимающей второе место NEC Corp.). Также есть компании, показывающие рост (например, Alibaba, Chengdu University of Information Technology и Beijing University of Posts and Telecommunications), при этом общее количество патентов, выданных этим организациям в 2020 г., увеличилось, однако динамика по отдельным участникам не демонстрирует такой же устойчивой тенденции к росту по сравнению с направлением квантовых вычислений.
За последнее десятилетие заявки на патенты в области квантовых коммуникаций в сравнении с квантовыми вычислениями, как правило, в значительной степени распределены среди компаний, стартапов, университетов и прочих организаций, при этом они находятся в различных странах, не позволяя определить лидера в направлении, (к примеру, часть компаний находится в Великобритании (QinetiQ) и Финляндии (Nokia Technologies)), что указывает на более выраженное распределение научно-исследовательской работы и источников инноваций в сфере квантовых коммуникаций.
Рис. 4. Организациис наибольшим количеством выданных патентов в сфере квантовых коммуникаций (с 2011 по 2020 гг.).
![](http://russiancouncil.ru/upload/iblock/003/quantum4w.jpg)
Высокую патентную активность можно также зачастую рассматривать в качестве косвенного признака, отражающего направления инвестиций, поступающих в компании и технологические стартапы в сфере квантовых технологий.
Корпоративная вовлеченность
Интерес и инвестиции в квантовые технологии со стороны крупных компаний и корпораций продолжают расти: в 2020 и 2021 гг. было инвестировано почти в два раза больше инвестиций (2,15 млрд долл.), чем за предыдущие 10 лет (1,16 млрд долл.). При этом от года к году все больше инвестируется в программное обеспечение — 758 млн долл. совокупно за 2020 и 2021 гг. Такие стартапы, как Zapata Computing (привлек совокупно 64 млн долл. на конец 2020 г) и Cambridge Quantum Computing (привлек совокупно 95 млн долл. на конец 2020 г и 270 млн долл. в совместном с Honeywell проекте в 2021 г), привлекают финансирование на разработку алгоритмов квантового компьютера. В сентябре 2021 г. израильская компания Quantum Machines получила 50 млн долл. на создание облачной инфраструктуры и программного обеспечения для квантовых компьютеров.
Рис. 5. Компании, занимающиеся квантовыми вычислениями, ранжированы по общему объему долевого финансирования, млн долл. (данные на июль 2021 г.).
![](http://russiancouncil.ru/upload/iblock/003/quantum5w.jpg)
Среди стартапов, получающих инвестирование по направлению аппаратного обеспечения, следует выделить Rigetti (стартап из Беркли, который привлек в общей сложности более 190 млн долл.) и PsiQuantum, которая в прошлом году заявившая, что планирует построить полномасштабный квантовый компьютер к 2025 г. (стартап привлек 450 млн долл. во главе с BlackRock, достигнув оценки в 3,15 млрд долл.). В отличие от своих конкурентов, которым, возможно, потребуется развивать свои мощности по производству микросхем, PsiQuantumпроизводит ранние версии квантовых микросхем с помощью Global Foundries, одного из крупнейших в мире производителей полупроводников.
IonQ также заявила о создании первого практико-ориентированного квантового компьютера. SoftBank через свой инвестиционный фонд Vision Fund 2 в начале июня 2021 приобрел «крупную», но не контрольную долю в IonQ. Японский инвестор заявил, что надеется в конечном итоге использовать возможности квантовых вычислений IonQ для ускорения вычислений для некоторых компаний из своего портфеля.
Рис. 6. Инвестиции в стартапы и технологические компании в сфере квантовых вычислений.
![](http://russiancouncil.ru/upload/iblock/003/quantum6w.jpg)
Согласно самым позитивным прогнозам, в течение трех-пяти лет ожидается начало использования квантовых технологий в промышленных, финансовых или государственных целях. На текущий момент значительная часть новых инвестиций направляется на разработку более дешевого и надежного оборудования для квантовых вычислений. Корпорации IBM, Google, Honeywell и Amazon Web Services вкладывают значительные средства в исследования и разработку наряду с хорошо финансируемыми стартапами, такими как IonQ. К примеру, IBM в рамках программы разработки нанотехнологических компонентов для кремниевых чипов в области квантовых компьютеров запланировал инвестиции на 3 млрд долл. до 2025 г. Однако финансирование проектов в сфере квантовых технологий не ограничено исключительно государственным, корпоративным и венчурным капиталом, источников финансирования зачастую гораздо больше (Рис. 6).
Рис. 6. Типы финансирования стартапов в сфере развития квантовых технологий (за 2001–2021 гг.), %.
![](http://russiancouncil.ru/upload/iblock/003/quantum7w.jpg)
Венчурный капитал включает инвестиции венчурных фондов и венчурные инвестиции.
Тип финансирования Акселератор подразумевает инвестиции в стартапы, поступившие через бизнес-акселераторы.
Корпоративный капитал включает инвестиции корпораций, корпоративный венчурный капитал, компаний, поддерживаемых венчурным капиталом, и компаний, поддерживаемых частным капиталом, инвестирующих во внешний стартап; не включает корпорации, инвестирующие во внутренние программы QT.
Бизнес-ангел — частный венчурный инвестор, дающий финансовую и экспертную поддержку компаниям на ранних этапах развития.
Государственное финансирование включает непосредственное государственное финансирование через различные программы, суверенные фонды благосостояния и финансирование со стороны университетов.
Тип частного (иного) финансирования включает финансирование от иных, не указанных выше источников: собственные вложения участников стартапов, финансирование частных университетов и пр.
За последние годы, как было указано выше, значительно возросли объемы инвестиций со стороны венчурных компаний и корпораций. Их внезапный всплеск главным образом связан с утверждением государственных программ финансирования квантовых технологий, которые были выделены как через прямое финансирование, так и через гранты и иные инструменты, позволяющие совмещать усилия университетов, научно-исследовательских центров и частных компаний (Табл. 2).
Таблица. 2. Типы организаций-участников, вовлеченных в исследования и разработку в сфере квантовых вычислений.
Страна | Стартапы | Частные компании | Госкомпании/ ГЧП | Академические группы/ университеты |
---|---|---|---|---|
США | 59 | 9 | 18 | 63 |
Канада | 23 | 0 | 2 | 9 |
Великобритания | 19 | 1 | 2 | 13 |
Япония | 12 | 1 | 0 | 7 |
Франция | 8 | 1 | 3 | 9 |
Германия | 7 | 2 | 1 | 7 |
Китай | 7 | 2 | 12 | 11 |
Остальной мир | 61 | 1 | 19 | 50 |
Всего | 196 | 17 | 57 | 169 |
Государственные программы финансирования
Государства осознают необходимость осуществления поддержки научных исследований и разработок в сфере квантовых вычислений, начиная с момента появления серьезных технических достижений, проработки осознанных и подробных программ исследований и развития как в научной, так и в корпоративной среде, а также планомерного развития отдельных направлений квантовых технологий и постепенного их внедрения в различные системы (например, развитие услуг по предоставлению мощностей в качестве инфраструктуры (IaaS) и платформы (PaaS)). Основные объемы инвестиций в различных формах и с помощью всевозможных механизмов поступают по каналам государственных программ, при этом каждая страна определяет задачи и объемы выделяемых средств независимо от общей повестки, исходя из приоритетных текущих задач и имеющейся ресурсной и научной базы.
Также правительства разных стран понимают важность быть новаторами на постепенно проявляющемся рынке, поскольку именно новаторы занимают основную нишу, получая возможность определять его правила функционирования и стандарты. Рассмотрим программы стран, определивших программы на период 2020–2025 гг. по исследованию и развитию квантовых технологий, а также выделивших финансирование на них.
- Китай — лидер по объемам государственного финансирования, что обусловлено как значительным количеством государственных компаний, так и желанием правительства страны занять лидирующие позиции в рассматриваемой сфере. Безусловно, в Китае в подобные проекты привлекается и частный капитал, однако, за редкими исключениями его объемы несравненно малы. В январе 2022 г. рамках 14-го «пятилетнего плана» было запущено финансирование проектов совокупно на 15 млрд долл. (включая привлечение к проектам Alibaba Group) в области квантовых вычислений с общей целью сделать важные квантовые открытия к 2030 г., включая такие задачи, как расширение национальной инфраструктуры квантовых коммуникаций, разработка общего прототипа квантового компьютера и практического квантового симулятора. Китай также готовит к запуску «Национальную лабораторию квантовых информационных наук», которой было выделено первоначальное финансирование в размере 1 млрд долл.
- В США в 2019 г. была принята Национальная квантовая инициатива (H.R. 6227 (NQI)), согласно которой Национальный институт стандартов и технологий, Национальный научный фонд и Министерство энергетики будут разрабатывать проекты квантовых вычислений. Правительство выделило 1,2 млрд долл. совокупно на пять лет на продвижение квантовых вычислений, затем Министерство энергетики объявило о финансировании дополнительных 115 млн долл. на квантовые исследования. В 2020 г. Управление Белого дома по научно-технической политике, Национальный научный фонд и Министерство энергетики объявили о выделении дополнительно 1 млрд долл. на создание 12 исследовательских центров искусственного интеллекта и квантовой информации по всей стране.
- Правительство Франции объявило о пятилетней стратегии в размере 1,8 млрд евро для стимулирования исследований в области квантовых технологий, особенно квантовых компьютеров: со стороны государства будет инвестировано 200 млн евро ежегодно в течение следующих пяти лет, остальные 800 млн евро поступят от промышленности, европейского финансирования и инвесторов французской стартап-экосистемы.
- Германия — одна из ведущих стран Европы по финансированию квантовых вычислений. В 2018 г. германское правительство выделило 650 млн евро на создание собственных квантовых технологий в течение 4-х лет, однако, позже было объявлено о расширении программы до 2 млрд евро (2,4 млрд долл.) на финансирование разработки первого национального квантового компьютера и связанных с ним технологий. К 2025 г. министерство науки Германии потратит дополнительно 1,1 млрд евро на финансирование исследований и разработок в области квантовых вычислений, которые используют квантовую физику для обеспечения прорыва в обработке данных.
- Правительство Великобритании инвестирует значительные объемы средств в инновации и разработки в области квантовых вычислений. Еще в 2013 г. эта страна стала первой в Европе, объявившей о собственной квантовой стратегии. В эту сферу в течение первых пяти лет англичане инвестировали 370 млн евро. В 2019 г. правительство расширило программу финансирования на 153 млн фунтов стерлингов на развитие квантовых технологий, в результате чего общий объем инвестиций составит 1 млрд фунтов стерлингов, который будет исполняться вплоть до 2024 года. Более того, частный сектор инвестировал в сферу исследований и разработок 200 млн фунтов стерлингов. Британское правительство надеется увеличить инвестиции в рассматриваемую сферу до 2,4% ВВП, что позволит проводить результативные мероприятия созданного Национального центра квантовых вычислений при британском органе по исследованиям и инновациям для поощрения сотрудничества с промышленностью и университетами.
- Правительство Японии запланировало инвестиции около 30 млрд йен (280 млн долл.) на квантовые исследования и инициативы по продвижению исследований и разработок в области квантовых вычислений, что вдвое превышает объем государственных инвестиций 2019 г. Общая финансируемая государством исследовательская инициатива оценивается в 100 млрд йен, подразумевая поэтапное финансирование на 10 лет, однако, впоследствии было заявлено о расширении проекта до 200 млрд йен. По итогам ее завершения ожидается разработка и ввод в эксплуатацию полноценных квантовых компьютеров для широкого спектра приложений.
- Новое исследование квантовых вычислений в Республике Корея потребует пятилетних инвестиций в размере 40 млн долл. для создания основных технологий квантовых вычислений и расширения исследовательской базы, а также 12 млн долл. было инвестировано в ИКТ следующего поколения (сверхвысокопроизводительные вычисления, конвергенция данных знаний, системное программное обеспечение, разработка программного обеспечения, информационные и интеллектуальные системы). Программа предполагает завершение к 2023 году этапа разработки пятикубитной квантовой компьютерной системы с надежностью более 90% благодаря развитию основных технологий квантовых вычислений.
- Министр финансов Индии в 2020 г. объявила о включенной в бюджет программе, согласно которой будет выделено 1 млрд долл. Национальной миссии по квантовым технологиям и приложениям (NM-QTA) на исследования и разработки в сфере квантовых технологий на ближайшие 5 лет.
- За прошедшее десятилетие правительство Канады инвестировало более 1 млрд долл. в область квантовых вычислений. Более того, исследовательский опыт страны, растущее государственно-частное партнерство и инновации стимулируют развитие квантовых вычислений. В 2020 г. была запущена национальная инвестиционная стратегия объемом 100 млн долл., в рамках которой компании D-Wave Systems (одной из крупнейших частных компаний в области квантовых вычислений в мире) было предоставлено финансирование в объеме более 35 млн долл. При этом D-Wave Systems дополнительно инвестирует 480 млн долл. в исследование и разработки в сфере квантовых технологий, а также расширит исследовательскую программу на дополнительные 200 рабочих мест и создаст программу привлечения в проекты студентов и академических групп.
- В 2020 г. правительство России объявило об инвестициях в размере 800 млн долл. в разработку технологий квантовых вычислений, при этом распределив программу, включая финансирование, на 3 отдельных направления. Развитие технологий квантовых вычислений было поручено Росатому с финансированием в размере 23,7 млрд рублей; разработка и создание инфраструктуры в сфере квантовых коммуникаций — РЖД с финансированием в размере 16,7 млрд рублей; создание квантовых сенсоров — госкорпорации Ростех с финансированием в размере 18,4 млрд рублей. Также создана «Национальная квантовая лаборатория» для изучения передового международного опыта, консолидации научной и ресурсной базы университетов, научно-исследовательских институтов, технологических компаний и стартапов.
Табл. 3. Государственные программы финансирования развития квантовых технологий (период 2020 – 2025 гг.).
Страна | Бюджет (на период 2020–2025 гг.) | Цели программы |
---|---|---|
Китай | 15 млрд долл. |
|
Германия | 3,26 млрд долл. |
|
США | 2,3 млрд долл. |
|
Франция | 1,9 млрд долл. |
|
Великобритания | 1,2 млрд долл. |
|
Индия | 1 млрд долл. |
|
Япония | 800 млн долл. |
|
Россия | 800 млн долл. |
|
Канада | 600 млн долл. |
|
Республика Корея | 50 млн долл. |
|
Рис. 7. Объемы государственных программ финансирования развития квантовых технологий (на 2020–2025 гг.), млрд долл. Составлено автором.
![](http://russiancouncil.ru/upload/iblock/003/quantum8w.jpg)
Программы государственного финансирования подробно разработаны, бюджеты выделяются в соответствии с поставленными задачами. К финансированию привлекается и частный капитал. Однако агрегированные суммы запланированных государственных инвестиций для каждой страны представляются достаточно скромными в сравнении с программами финансирования других технологий (с учетом периода их реализации в 4–5 лет), что говорит об осторожности по отношению к поддержке подобных программ (исключением следовало бы считать Китай, однако, в проекты активно привлекаются инвестиции Alibaba Group). Тем не менее правительства разных стран стремятся оптимизировать процесс (выстраивает общую концепцию развития технологии, определяет основные задачи, поддерживает ключевых участников отрасли), вовлекая в кооперацию как научно-исследовательские учреждения и институты, так и частные компании ввиду стремления занять лидерские позиции в одном или нескольких направлениях квантовых технологий. Поскольку в сфере происходит развитие фундаментальных положений и прорабатываются направления прикладного использования технологий, в ближайшем будущем ожидается создание готовых технологических решений, которые потенциально могут быстро занять стратегически важные рынки.
На текущий момент можно выделить США, Китай и Японию, лидирующих в сфере квантовых технологий. При этом тип лидерства отличается: США лидирует в сфере квантовых вычислений, на что нацелены как программы финансирования, так и частные инвестиции, и внутренние проекты компаний, при этом проводится активная поддержка софтверных решений. Япония и Китай борются за лидерство в сфере квантовых коммуникаций. Остальные рассмотренные страны активно включаются в гонку, разрабатывают и внедряют государственные программы финансирования, а также привлекают частный капитал в развитие направления.
Россия также включается в гонку за инновационные решения в сфере квантовых технологий, определив совокупный бюджет в 800 млн долл. (текущий курс) и распределив направления среди госкомпаний, что потенциально повысит результативность программы за счет диверсификации задач с возможностью кооперации. Безусловно, развитие квантовых технологий основывается на имеющихся достижениях, однако, накопленные инвестиции, технологии и опыт, а также количество квалифицированных исследователей уступают странам-лидерам.
Компании продолжают проявлять заинтересованность в развитии квантовых технологий, увеличиваются объемы инвестирования. Достижения и планы стратегического развития крупных производителей аппаратного обеспечения, таких как IBM, Google, Honeywell, IonQ, PsiQuantum и др., позволяют предположить, что в ближайшем будущем будут сконструированы и запущены квантовые компьютеры, достаточно мощные и стабильные для решения важных проблем бизнеса и общества.