Лидеры квантовой гонки: динамика мировых инвестиций

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.

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.

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.

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.).

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.).

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.).

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.

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.), %.

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.

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.).

Рис. 7. Объемы государственных программ финансирования развития квантовых технологий (на 2020–2025 гг.), млрд долл. Составлено автором.

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.