Привет! В нашем блоге мы снова пишем про квантовые технологии. На этот раз - зарубежные.
Рассмотрим историю развития квантовых технологий в Китае и США, которая несомненно имеет важное значение для понимания современного состояния научных исследований. Начнём с США, где исследования в области квантовой физики и технологий имеют глубокие корни. Уже в середине XX века американские ученые начали активно изучать квантовую механику и осознавать огромный потенциал этой науки для создания новых технологий. Одним из значимых достижений стало появление первых квантовых компьютеров и разработка квантовых криптографических систем.
США не только вели фундаментальные исследования в области квантовой физики, но и активно инвестировали в промышленность, связанную с квантовыми технологиями. Благодаря этому сегодня американские гиганты, такие как IBM, Google и Microsoft, возглавляют разработку квантовых компьютеров и других инновационных продуктов на основе квантовых явлений.
Китай, в свою очередь, начал стремительно развивать квантовые технологии в конце XX века. Правительство страны осознало потенциал квантовых технологий для национальной безопасности и экономического развития и вложило огромные ресурсы в эту область. Китайские учёные стремительно расширяют свои знания в области квантовой физики и ведут активные исследования в области квантовой информатики, квантовых вычислений и криптографии. В настоящее время Китай ставит перед собой амбициозные цели в области квантовых технологий, нацелен на создание собственных квантовых компьютеров и систем криптографии. Китайские корпорации, включая Alibaba и Huawei, активно вкладывают средства в исследования и разработки в сфере квантовых технологий с целью занять лидирующие позиции на мировой арене.
Квантовая информатика, в которой Китай демонстрирует значительные успехи, использует принципы квантовой механики для обработки и передачи информации с использованием совершенно новых методов. Некоторые из достижений в этой области превосходят те, что были достигнуты в Соединённых Штатах.
Государственные лаборатории, ведущие университеты, включая Китайский университет науки и технологий (USTC), а также избранные частные компании активно разрабатывают технологии, соответствующие национальным приоритетам. Китай достиг выдающихся результатов в области квантовых коммуникаций, в частности, создав самую длинную в мире сеть распределения квантовых ключей (QKD) - магистраль Пекин-Шанхай, протяженностью около 2 тыс. км.
Совместно с инновационным спутником Micius, который расширяет возможности квантовой связи на более дальние расстояния, Китай вышел вперёд в области безопасной квантовой связи. В области квантовых датчиков Китай является лидером в некоторых аспектах, тогда как Соединённые Штаты лидируют в других. Этот контраст - доминирование Китая в разработке готовых к выходу на рынок квантовых датчиков и отставание в менее зрелых областях квантовых вычислений - подчеркивает его способность быстро улучшать и применять имеющиеся исследования, а также ограничения в области фундаментальных инноваций.
Оценка китайских квантовых инноваций. В каких квантовых технологиях Китай внедряет инновации?
Китай и США лидируют в различных сферах квантовых технологий: первая страна опережает в области квантовых коммуникаций, в то время как вторая вырывается вперёд в развитии квантовых вычислений. Эксперты отмечают, что такое разделение подчёркивает различные стратегии данных стран: США делают ставку на долгосрочное развитие квантовых вычислений, видя в них многообещающую технологию для различных отраслей, в то время как Китай акцентирует внимание на мгновенном и безопасном применении квантовых коммуникаций, уже более зрелой сфере с более узким рынком.
Китай стремительно продолжает свое внушительное развитие, укрепляя свои позиции в мировой гонке за безопасными коммуникациями. Особое внимание уделяется области квантовой криптографии, признанной ведущим направлением в обеспечении безопасных связей. Используя принципы квантовой механики, данная технология обеспечивает практически непреодолимый уровень шифрования данных. Развиваются как наземные системы с оптоволоконными кабелями для защищенной передачи информации между городами и регионами, так и спутниковые системы, способные обеспечить безопасную коммуникацию на значительные расстояния, включая весь мир.
В Китае проводятся масштабные демонстрации передовой технологии связи. Особое внимание уделяется магистрали Пекин-Шанхай, самой длинной сети квантового ключа в мире, построенной на оптоволоконных кабелях. Для дальнейшего усиления безопасности связи в сеть были интегрированы спутниковые каналы. Эти каналы обеспечивают безопасную передачу данных между удалёнными точками, которые нельзя соединить прямым оптоволоконным кабелем, например, между различными континентами. Таким образом, обеспечивается безопасная квантовая связь, недоступная при использовании только наземных систем.
Спутник "Mucius" (рис. 1) стал символом стремительного развития квантовой криптографии, которую всё больше стран признают ключевым элементом обеспечения конкурентоспособности. Европейский союз запустил амбициозный проект EuroQCI, направленный на создание безопасной квантовой сети, охватывающей всю Европу. В свою очередь, Южная Корея активно разрабатывает национальную систему квантовой криптографии.
Однако, несмотря на успехи в области криптографии, Китай отстаёт в разработке квантовых вычислений. Эта страна испытывает затруднения в создании собственного аппаратного обеспечения и усовершенствовании алгоритмов, что оказывает существенное влияние на её позицию в мировом квантовом сообществе.
Для создания функционального квантового компьютера необходима физическая система, способная кодировать, управлять и манипулировать кубитами для выполнения вычислений. На данный момент в этой области используются две основные технологии, и американские компании занимают ведущие позиции в обоих направлениях. Первый подход основан на использовании атомных ионов, таких как ионы бериллия, удерживаемые в вакууме.
В отличие от традиционных схем, где биты перемещаются по различным компонентам схемы, в новом методе квантовые биты, или кубиты, представленные ионами, остаются на своих местах и подвергаются управлению электрическими полями. Усилия американских компаний, таких как IonQ, первоначально сделавшей квантовые компьютеры на основе ионов доступными через облачные платформы, такие как Amazon Braket, Microsoft Azure и Google Cloud, а также Honeywell Quantum Solutions, установившей рекорды в производительности и уровне ошибок в системах на основе ионов, являются ярким примером лидерства США в данной области.
Второй и наиболее перспективный метод создания квантового компьютера основан на использовании уникальных свойств сверхпроводящих материалов. При сильном охлаждении определённых материалов, таких как металл ниобий, они теряют свое электрическое сопротивление, что позволяет им переносить электроны и проводить электричество. В результате эти материалы не только становятся сверхпроводниками, но и проявляют квантово-механические эффекты. Такие сверхпроводники могут быть использованы для разработки квантовых транзисторов, аналогично тому, как кремний применяется для создания традиционных транзисторов.
Американские компании, такие как IBM, Google и Rigetti, вместе с их партнёрами, включая канадскую D-Wave, обладают одними из самых передовых квантовых процессоров, использующих сверхпроводящие кубиты. Они добились значительных успехов в области времени когерентности кубитов и уменьшили количество ошибок, что является критическими факторами для масштабирования сверхпроводящих квантовых компьютеров. В то время как Китай также активно работает в этой области, их прогресс оказался менее значительным и последовательным, часто отставая в создании высококачественных масштабируемых кубитов.
Недавние достижения Китая, включая экспорт первого разработанного внутри страны сверхпроводящего квантового чипа SpinQ, явно свидетельствуют о стремительном продвижении страны вперёд и значительном сокращении технологического отставания. В целом, стратегическое внимание Китая к квантовым технологиям в краткосрочной перспективе позволяет ему лидировать в технологиях, которые ближе к выходу на рынок. Некоторые эксперты отметили, что, отдавая приоритет этим краткосрочным выгодам, Китай, возможно, упускает из виду потенциал квантовых вычислений в будущем — технологии, которая, несмотря на текущие проблемы в развитии, обещает произвести революцию в таких отраслях, как фармацевтика и финансы. Действительно, глобальная экосистема квантовых технологий демонстрирует чёткую иерархию в размерах рынков трёх областей. Квантовые вычисления доминируют на рынке. По оценкам McKinsey, к 2040 году они займут примерно 87% всего рынка квантовых технологий, в то время как на квантовые коммуникации будет приходиться около 7%, а на квантовые датчики — 6%.
Тем не менее, ставка на небольшую определённость сегодня может быть выгоднее, чем крупная ставка завтра, потому что преимущества квантовых коммуникаций очевидны, в то время как масштабы и окупаемость квантовых вычислений остаются неопределёнными.
Как Китай внедряет инновации в квантовых технологиях?
Китай активно интегрирует квантовые технологии в производство конкретных продуктов, в то время как Соединенные Штаты склонны фокусироваться на теоретических исследованиях. Китайский подход позволяет успешно переносить инновации с лабораторий на рынок благодаря усилиям правительства, которое активно содействует сотрудничеству между научными институтами и промышленностью. Особенно ярким примером такой успешной интеграции является Хэфэй, где Национальная зона развития высокотехнологичной промышленности служит мостом между академическими исследованиями и их коммерческим применением.
В пределах данной зоны сосредоточены государственные инициативы, нацеленные на соответствие научных открытий потребностям промышленности, а также на укрепление взаимодействия между университетами, исследовательскими лабораториями и частными компаниями. Этот стратегический подход оказался особенно успешным в области квантовых технологий, превращая Хэфэй в эпицентр квантовых инноваций.
Концентрация подобных компаний в одном месте способствует ускоренному преобразованию квантовых исследований из сферы теории в практику. На этой земле зарождаются прорывные инновации, такие как прототипы сверхпроводящих квантовых вычислений, микросхемы миллиметрового диапазона и знаменитый спутник Micius.
В Национальной зоне развития высокотехнологичной промышленности Хэфэй расположены четыре из девяти ведущих квантовых стартапов: Ciqtek, Origin Quantum, Qasky и QuantumCTek. Особенно ярким примером успешной интеграции является Quantum Avenue, ставшая маяком китайской индустрии квантовых технологий. На улице Ефэй в этом районе насчитывается около 20 компаний, специализирующихся на квантовых технологиях, что подтверждает значимую роль этой зоны как ключевого инкубатора для квантовых предприятий.
Важным компонентом успеха Китая в развитии промышленной квантовой экосистемы в Хэфэи, являются тесные связи с ведущим университетом в области квантовых технологий – USTC. Этот университет считается одним из самых авторитетных в данной области и играет ключевую роль в формировании инфраструктуры. Это мнение находит подтверждение в высказываниях других экспертов, специализирующихся на квантовых технологиях в Китае.
Пань Цзяньвэй, известный как "отец квантовых технологий" в Китае и соучредитель QuantumCTek, подчеркнул, что благодаря активному участию ведущих компаний и руководства со стороны правительства в Китае уже сформировалась промышленная цепочка, охватывающая оборудование, сети, безопасность и стандарты квантовой связи.
Во-первых, в ходе дискуссии было отмечено, что Китай предпочитает централизованный подход к выделению средств на квантовые исследования. Действительно, в системе финансирования квантовых технологий в Китае преобладает концентрация средств, основная часть которых поступает из Национального фонда естественных наук Китая (NSFC). Этот фонд финансирует примерно половину научных публикаций в области квантовых вычислений, квантового зондирования и квантовых коммуникаций в Китае.
В Соединённых Штатах источники финансирования представлены в широком ассортименте, включая как частные, так и государственные источники, которые распределены между различными федеральными органами. Такая диверсификация может привести к неэффективности и недостатку стратегической координации, что, в свою очередь, может замедлить темпы прогресса и создать препятствия для конкуренции со стороны Китая, который предпочитает более централизованный подход к финансированию. Кроме того Китай готов финансировать высокорискованные квантовые стартапы даже в случае неудачи, в то время как Соединённые Штаты проявляют более осторожный подход к таким инвестициям.
Готовность Китая к риску позволяет ему добиваться значительных прорывов и потенциально занять лидирующие позиции в области квантовой науки, в то время как Соединённые Штаты придерживаются более консервативного подхода, уделяя внимание в основном теоретическим проектам.
Некоторые эксперты предполагают, что Китай может столкнуться с долгосрочными проблемами. Огромные затраты, сложность и масштабы, необходимые для внедрения инноваций и производства квантовых технологий, на подобии полупроводников, слишком велики для того, чтобы какая-либо страна или предприятие могли справиться с ними в одиночку. Ограничивая международное сотрудничество, Китай рискует помешать собственному прогрессу в области, где глобальное сотрудничество не только выгодно, но и необходимо.
Действительно, хотя Китай активно внедряет мировые инновации, он всё ещё сдерживает обмен своими находками с миром. Этот эгоцентричный подход особенно заметен в области квантовых технологий. В то время как в США почти половина научных исследований в сфере квантовых вычислений, связи и сенсорики выполняется в сотрудничестве с международными партнерами, Китай значительно отстает: всего лишь 29%, 19% и 23% соответственно. Этот тренд свидетельствует о различии в стратегиях: Китай сосредотачивает свои научные изыскания внутри страны, в основном опираясь на внутреннее взаимодействие, в частности между университетами, в то время как Соединенные Штаты строят более глобальную и открытую исследовательскую среду, опираясь на сильные стороны университетов, научных институтов и частных компаний.
Квантовые инновации: анализ двух китайских технологических гигантов
Origin Quantum
Одной из таких компаний является Origin Quantum, основанная в 2017 году выдающимися физиками-квантовиками Го Гопином и Го Гуанканем из Университета науки и технологий Китая. Расположенная в Хэфэе, компания Origin Quantum является ведущим игроком в разработке сверхпроводящих квантовых компьютеров. Ее активная роль в развитии квантовых технологий позволяет Китаю укрепить свои позиции в мировой гонке за квантовыми вычислениями, несмотря на некоторые технические отставания по сравнению с западными лидерами, такими как IBM и Google.
Origin Quantum представляет квантовый компьютер Wukong, который стал настоящим прорывом в мире вычислительной техники. Этот сверхпроводящий квантовый компьютер, основанный на 72-кубитном чипе, стал доступен для пользователей по всему миру с начала 2024 года. За короткое время более чем 250 000 задач по квантовым вычислениям были успешно выполнены пользователями из 125 стран. Эта глобальная реализация подчеркивает стремление Origin Quantum к участию в мировой гонке по квантовым вычислениям, несмотря на жёсткую конкуренцию со стороны более известных западных компаний.
Origin Quantum выделяется на фоне других компаний, занимающихся квантовыми вычислениями, благодаря своему стремлению к созданию полнофункциональных решений. Они не ограничиваются только разработкой квантовых чипов или программных платформ, а объединяют обе эти сферы, чтобы создать комплексную квантовую экосистему. В Китае, где отрасль квантовых вычислений всё ещё находится в стадии развития, подобный подход Origin Quantum особенно важен.
Компания Origin Quantum опирается на результаты фундаментальных исследований, впервые проведенных на Западе, но при этом тщательно адаптировала и усовершенствовала эти технологии, чтобы они соответствовали стратегическим целям Китая. Создание чипа Wukong считается для страны ключевым шагом в области производства сверхпроводящих квантовых компьютеров. В то время как компания использует уже существующие знания, её основное внимание сосредоточено на интеграции этих достижений в местную цепочку поставок, что позволяет Китаю сократить зависимость от иностранных технологий и подготовить почву для будущих инноваций.
Компания Origin Quantum активно работает над адаптацией своих квантовых технологий в соответствии с национальной стратегией Китая. Она фокусируется на оптимизации систем квантовых вычислений для различных областей применения, таких как безопасная связь, квантовое моделирование и другие критически важные сферы для национальной безопасности и экономического развития.
Несмотря на значительные достижения, компания всё ещё сталкивается с серьезными трудностями в достижении уровня производительности и промышленного применения, сопоставимого с ведущими западными компаниями, такими как IBM и Google. Несмотря на то, что квантовый компьютер Wukong стал важным достижением, в Origin Quantum признают, что имеют отставание в областях, таких как масштабирование кубитов и практическое применение, где западные компании добились более существенного прогресса.
QuantumCTek
QuantumCTek — ведущая китайская компания, специализирующаяся на разработке и предоставлении продуктов и услуг в области квантовой связи. Основанная в 2009 году, компания имеет штаб-квартиру в Хэфэе и играет ключевую роль в развитии инфраструктуры квантовой связи в Китае. QuantumCTek стала первой компанией в сфере квантовых технологий, которая вышла на биржу в Китае, и стала опорой для стремлений страны к лидерству в области квантовых инноваций.
Основателями компании QuantumCTek являются выдающиеся учёные, среди которых Пань Цзяньвэй, известный как "отец квантовых технологий" в Китае, и Го Гуанцан, ведущий пионер в области квантовых технологий, которые имели тесные связи с USTC.
Компания является результатом исследований, проводимых Университетом науки и технологий Китая при поддержке правительства страны в рамках национальной стратегии по лидерству в области квантовых технологий. Этот "маленький гигант", как прозвали компанию в Китае, занимается инновациями и быстрым ростом. С момента своего создания она специализируется на разработке систем квантового распределения ключей, играющих критическую роль в обеспечении безопасной связи в сферах государственного управления, финансов и энергетики.
Благодаря поддержке правительства и укоренившимся в академической среде ценностям, QuantumCTek успешно превратила передовые научные исследования в инновационные коммерческие решения. Эти решения сегодня играют ключевую роль в развитии квантовой инфраструктуры Китая.
Флагманский продукт компании - система квантового распределения ключей - широко распространена в Китае, особенно в сферах, где обеспечение безопасной связи является критически важным. Среди основных заказчиков такие категории как государственные учреждения, финансовые организации и энергетические компании, которым необходим самый высокий уровень защиты конфиденциальных данных.
Компания QuantumCTek играла значительную роль в развёртывании 46-узловой квантовой сети в городе Хэфэи, которая успешно интегрирована в крупнейшую и наиболее передовую магистральную квантовую сеть связи между Пекином и Шанхаем в Китае. Эта сеть, созданная в партнёрстве с Университетом науки и технологии Китая и другими организациями, обеспечивает безопасность критически важной информации для различных отраслей, включая государственное управление и финансы, способствуя укреплению связей между городами. Вклад QuantumCTek подчёркивает ключевое значение компании в развитии национальной квантовой инфраструктуры Китая и воплощении её стремлений к мировому лидерству в области квантовых коммуникаций.
Один из ведущих государственно поддерживаемых операторов связи, China Telecom, ведёт совместную работу с компанией QuantumCTek над созданием квантового компьютера, основанного на новом чипе Xiaohong. Этот инновационный компьютер будет доступен через облачную платформу, разработанную квантовой группой China Telecom, что позволит исследователям из различных областей эффективно решать практические задачи и разрабатывать алгоритмы. Ожидается, что данное партнёрство ускорит внедрение квантовых вычислений в повседневную жизнь, сделав их более доступными и полезными для широкого спектра отраслей.
Анализ вклада инноваций в квантовый сектор Китая
Научные публикации
В области квантовых коммуникаций Китай лидирует как по количеству, так и по качеству исследований, значительно опережая Соединённые Штаты. В области квантовых вычислений Китай проводит больше исследований, но Соединённые Штаты значительно превосходят Китай по качеству исследований. В области квантовых датчиков Китай проводит больше исследований, но обе страны находятся на одном уровне по качеству.
В области квантовых коммуникаций Китай лидирует в мире, публикуя 38% мировых статей по сравнению с 12,5% в США. Китай также занимает первое место по качеству исследований: 31,5% его публикаций входят в топ-10% и имеют индекс Хирша 48 (показатель, который измеряет как продуктивность, так и цитируемость публикаций), в то время как США занимают второе место с 16,7% публикаций в топ-10% и индексом Хирша. В области квантовых вычислений Китай немного опережает США по объёму исследований, публикуя 22,8% мировых статей по сравнению с 21,3% в США. Однако США лидируют по качеству исследований: индекс Хирша составляет 92 по сравнению с 52 в Китае, а 33,9% публикаций в США входят в топ-10% по сравнению с 15% в Китае.
В области квантовых сенсоров Китай проводит больше исследований, на его долю приходится 24,5% мировых публикаций, в то время как на долю США приходится 15,4%. Тем не менее, США лидируют по качеству исследований: индекс Хирша составляет 68 против 54 у Китая, а доля публикаций в топ-10% примерно такая же — 23,7% против 23,3% у Китая.
Патенты
Китай значительно опережает другие страны по количеству патентов на квантовую связь и значительно опережает их по количеству патентов на квантовые датчики, в то время как США лидируют по количеству патентов на квантовые вычисления. В Европе нет ярко выраженной специализации, и она имеет сбалансированный портфель по всем трём технологиям (в то время как в других регионах квантовые датчики, как правило, отстают).
В Китае основными правообладателями патентов на квантовую связь и квантовое зондирование являются государственные учреждения и стартапы, а не крупные корпорации. Например, такие стартапы, как QuantumCTek и Ruban Quantum Technology, лидируют в области патентов на квантовую связь, а научно-исследовательский институт CAS лидирует в области квантового зондирования. В США, напротив, в области патентов на квантовые вычисления лидируют крупные компании, в том числе IBM, Microsoft, Google и Intel.
В случае с Китаем особенно показательны внутренние патенты в области квантовых технологий, поскольку они подчёркивают, что страна уделяет больше внимания национальной безопасности, чем коммерческим целям. Квантовые технологии в Китае считаются критически важными для национальной обороны и инфраструктуры. Отдавая приоритет внутренним патентам, Китай демонстрирует своё намерение сохранять строгий контроль над технологическими достижениями, гарантируя, что они останутся в пределах страны и будут защищены от внешнего влияния
Основные итоги
Китай занимает лидирующие позиции в сфере квантовых коммуникаций, однако отстаёт в области вычислений, где преимущественно процветают Соединённые Штаты. В то же время, в области сенсорики Китай догнал и даже опередил США, представив технологии, готовые к запуску на рынок. В то время как Соединённые Штаты укрепляют свои позиции в областях с высокой доходностью.
Китай объявил о более чем 15 миллиардах долларов государственного финансирования квантовых технологий, что значительно превосходит объём финансирования в этой области со стороны Соединённых Штатов. Несмотря на то, что частные инвестиции в США остаются на более высоком уровне, Китай компенсирует недостаток частных средств за счёт масштабных государственных вложений.
Китайская квантовая стратегия представляет собой стратегию, основанную на использовании внутренних ресурсов и отчуждённости от глобального сотрудничества. Хотя такой подход может обеспечить быстрые результаты, он также накладывает долгосрочные риски на развитие сложных технологий.
Промышленные кластеры, поддерживаемые государством, такие как инновационный комплекс "Квантовая улица" в Хэфэе, играют ключевую роль в развитии квантовой промышленности Китая. Они обеспечивают прямую интеграцию академических исследований с разработкой стратегически важных технологий, готовых к коммерциализации, и направленных на достижение национальных приоритетов.
Под государственным надзором в Китае усиливается контроль над исследованиями и разработками в области квантовых технологий. Компании, такие как Alibaba и Baidu, пересматривают свою стратегию и отказываются от ведения своих собственных квантовых исследований, учитывая национальные приоритеты и уменьшая частное участие в данной сфере.
Каким же из этих двух векторов развития квантовых технологий следует Россия, если брать во внимание опыт мировых лидеров, а также какие перспективы и наработки в этой области есть у нашей страны, мы с вами попробуем порассуждать уже в следующей, декабрьской статье
Автор: Максим Будкин
Автор: Kseniia_pro
