Вторая половина 1990-х и начало нулевых годов нашего века было временем, когда физики перешли от теории к практике. Были опробованы технологии манипуляции лазером с удерживаемыми ионами (ионами бериллия, удерживаемые в электромагнитной ловушке), которые выполняли роль кубитов, фундаментальных единиц квантовой информации. Также был реализован на практике первый квантовый логический вентиль. Появились сверхпроводящие кубиты, основанные на эффекте Джозефсона, с достаточно длительным временем когерентности и, главное, возможностью контролировать их квантовую когерентность. Были проведены эксперименты с использованием фотонов в качестве кубитов, которые демонстрировали относительно низкую скорость декогеренции, поскольку они слабо взаимодействуют с окружающей средой. Ими легче было манипулировать, передавать их на большие расстояния и использовать даже при комнатной температуре.
Дальнейшая история квантового компьютера описана в деталях много раз и профессиональными IT-историками, и копирайтерами вовлеченных в процесс компаний, и в масс-медиа с фотографиями квантового холодильника, создающего внутри температуру близкую к абсолютному нулю, в виде люстры в стиле техно. Опубликованы десятки выверенных таймлайнов эволюции квантового компьютера на любой вкус — и длинные, и короткие. А если считать публикации в СМИ по поводу каждого шага в масштабировании числа кубитов и прочих инноваций в области квантовых компьютеров, то число этих публикаций уже можно измерять сотнями. Добавлять сюда еще одну нет смысла.
Что же касается длившейся ровно 20 лет теоретической эпохи квантового компьютера, то итог ее подводит статья Дэвида ДиВинценцо, сотрудника IBM Research, R&D подразделения корпорации IBM, опубликованной им в 2000 году в журнале «Fortschritte der Physik» («Достижения физики»). В ней он перечислил пять основных требований к реальному (в «железе») квантовому компьютеру и два дополнительных для квантовой связи. Желающие могут посмотреть их самостоятельно, сейчас они выглядят само собой разумеющимися, да и число требований с тех пор выросло.
С точки зрения истории квантового компьютера интересно в его статье другое. Его исследование выполнено на грант Army Research Office, директората в составе Армейской исследовательской лаборатории Командования по развитию боевых возможностей армии США (DEVCOM ARL), который отвечал за программу «внешних исследований армии», то есть исследований, которые Пентагон заказывал гражданским ученым, если компетентных армейских в данной области не имелось. Иными словами, военное ведомство США поинтересовалось мнением IBM насчет перспектив квантового компьютера. И Дэвид ДиВинценцо по поручению своего начальства в IBM в довольно сдержанных тонах, с оговорками (типа «пока конечная вычислительная мощность классических машин остается неизвестной»), изложил это мнение: при соблюдении определенных условий квантовый компьютер «имеет реальную перспективу с точки зрения научных исследований в области квантовой физики».
А это — интерес ВПК к квантовому компьютеру — в свою очередь, означало господдержку разработчикам квантовых компьютеров, оживление у конкурентов IBM в предвидении скорого появления нового рынка и у венчурных фондов в ожидании новых стартапов, даром что все это происходило на фоне пика кризиса доткомов (их пузырь лопнул в марте 2000 года, а статья ДиВинценцо вышла в апреле того же года).
Впрочем, единственным объективным показателем резкого нарастания интереса к квантовому компьютеру было оживление инженерно-изобретательской мысли в этой области. Это продемонстрировал скачок числа патентных заявок в 2001 году сразу на 70% по сравнению с 2000 годом. А ведь это были не научные статьи, а заявки на изобретение или усовершенствование конкретного квантового компьютера.
Еще десять лет после этого инженеры и изобретатели работали, что называется, в кредит. Только в начале десятых годов нашего века состоялись первые купли-продажи реального квантового компьютера, правда, этот новый рынок и по сей день находится в зачаточном состоянии. Но жить можно и в кредит, особенно когда «запутанность денег», расходуемых на создание квантовых компьютеров (КК), и их «телепортация» из госбюджетов развитых стран (т.е. кармана тамошнего налогоплательщика) и из бюджетов частных компаний в карманы разработчиков и производителей КК достигла сотен миллионов долларов в год, приближаясь к миллиарду.
До «квантового превосходства» в IT-секторе было еще очень далеко, но динамика трат на КК явно не подчинялась закону Мура, характеризовавшему ситуацию на рынке обычного компьютера полвека назад, когда он начал расти экспоненциально. Памятуя предупреждение Фейнмана, финансисты не углублялись в дебри квантовых парадоксов, а попытались понять, что происходит по косвенному показателю — ретроспективной динамике патентов на разновидности КК, ее географии и основным патентодержателям, то есть «патентному ландшафту», как удачно назвал этот инструмент патентной аналитики в 2015 году доцент Иллинойского технологического института Энтони Трипп.
Подобных региональных ландшафтов нарисовано уже много, но, пожалуй, первый внятный общемировой ландшафт опубликовал в 2020 году французский финансовый аналитик Мишель Курек, проработавший четверть века в крупных французских банках и, главное, по первой своей специальности инженер-электронщик. Эта публикация свободно доступна в интернете, желающие могут почитать ее сами или хотя бы глянуть в ней на графики и гистограммы, чтобы увидеть, как быстро и причудливо менялся этот ландшафт.
Если же коротко, то в Курек в основном анализирует патенты за период 2010-2020 гг. (всего он нашел их 9905 штук). Почему именно за этот период? Скорее всего потому, именно в это десятилетие среднегодовой их прирост составлял 18,8% (или 371% за десятилетие), а после 2015 года возрос до 27,15%. То есть шел уже по экспоненте. Тут, впрочем, надо делать поправку на то, что задержка с публикацией патентов после подачи патентной заявки обычно составляет 18 месяцев, то есть фактически это была статистика изобретений и усовершенствований в области КК-технологий за 2008-2018 гг.
Кроме этого, в то десятилетие правительства Китая, США, Канады, Великобритании, стран ЕС (и отдельно ещё Германии) приступили к реализации крупных многолетних планов с объемом финансирования свыше $1 миллиарда. В частном секторе в 2018 году было осуществлено 32 операции по венчурному финансированию стартапов на общую сумму $173 млн в год. В 2019 году эти цифры были еще больше, а 2020 год с $479 млн только за первое полугодие стал рекордным. В конце 2019 года и наша страна объявила о своем пятилетнем плане в области квантовых технологий, собираясь выделить на них около $1млрд (было и такое!) из пакета общей программы исследований и разработок в области цифровых технологий (на том момент $3,7 млрд).
И, наконец, в начале проанализированного Мишелем Куреком десятилетия, 2011 году, произошла первая купля-продажа реального, в «железе», а не чертежах, квантового компьютера канадской компании D-Wave Quantum Systems Inc. Его купила аэрокосмическая корпорация Lockheed Martin. В 2013 году следующую модель КК той же компании на пару приобрели NASA и Google Inc. Потом к ним прибавились новые покупатели — Университет Южной Калифорнии и Лос-Аламосская национальная лаборатория министерства энергетики США. Говорят, что Lockheed Martin заплатила за свою машину около 10 миллионов долларов, и «Гуглу» их КК обошелся в такую же сумму. Но покупатели про сумму заплаченных ими денег молчали, только сказали, что в нее входит обслуживание и ремонт их КК. Однако деньги явно были большими, тем более что это были не универсальные компьютеры (у «Гугла» помощнее, чем у «Локхид-Мартин»), а заточенные на только на одну разновидность квантового исчисления.
Континентальная географии тоже была показательной. В это десятилетие на долю Азии (Китая с Японией, Южной Кореей, Тайванем, Индией и Малайзией) пришлось 64% патентов, на США вместе с Канадой — 21,6%, а на Европу в целом (включая ЕС, Великобританию, Швейцарию и Россию) — 13,5%. Вклад других континентов был минимален, только Австралия выделялась как место активных инноваций в этой области. Если смотреть по странам, то на долю США и Китая приходится более 75% всех патентов. Как раз в это десятилетие КНР обогнала Америку (5161 патент против 2401). Россия занимала 8 место (82 патента) после Австралии (104) и перед Францией (71). Всего же 32 страны подали заявки по крайней мере на один патент с датой приоритета после 2010 года.
Что касается статистики подачи патентных заявок, то в ТОП-20 заявителей в 2010-2020 гг. вошли 11 китайских организаций, а именно: пять китайских компаний во главе с Ruban Quantum Technology Со. (1-е место в ТОП-20) и еще четыре компании (6-е, 9-е, 12-е и 18-е места); четыре университета (7-е, 8-е, 10-е и 19-е места) и два НИИ (12-е и 20-е места). Американских организаций там только шесть: IBM, Intel, Micromass, Thermo Fisher Scientific Inc. (в такой последовательности они занимают в ТОП-20 со 2-го по 5- место) и Google с Microsoft Technology Licensing (дочкой Microsoft Corporation), занимающих 14 и 15 место. Кроме китайцев и американцев в ТОП-20 японские Toshiba Corp. (11-место) и Shimadzu Corp. (13-е место), а также упоминавшаяся выше канадская компания D-Wave Quantum Systems Inc (16-е место).
Разумеется, подать заявку на патент на КК и собрать его, поставить на поток и продавать — очень разные вещи, равно как и понятия заявителя на патент и его правообладателя, но картинка весьма показательная. Оказывается, по крайней мере в предыдущее нынешнему десятилетие, весьма активными генераторами патентных заявок в области КК были китайские университеты, почти наравне конкурируя в этом плане с такими IT-гигантам США, как IBM, Intel, Microsoft, Google. Что, как считает автор публикации, было результатом их стимуляции (в первую очередь бюджетными вливаниями, разумеется) партией и правительством КНР.
Следующий патентный ландшафт КК подобного масштаба обрисовал в прошлом году Фанчжоу (Фред) Цю, тоже весьма опытный патентовед, штатный сотрудник отделения юридической компании Sheppard Mullin в Кремниевой Долине. Общая выручка Sheppard Mullin превышает $1 млрд в год, неопытных в таких фирмах не держат. Он рассматривал патенты во временном отрезке с 2004-го по 2023-й год включительно. Но если не считать всплеска патентной активности в последние годы, когда порог патентных заявок превысил 18 тыс. в год в целом картина оставалась такой же, как у Курека. По количеству опубликованных патентных заявок на КК лидировало Национальное управление интеллектуальной собственности Китая (CNIPA), за ним следовали Управление по патентам и товарным знакам США (USPTO), Европейское патентное ведомство (EPO) и Японское патентное ведомство (JPO) и далее остальные.
Но на данном ландшафте есть весьма важное отличие. Здесь, образно говоря, появился рельеф «ведущих модальностей квантовых вычислений», то есть прослеживалась динамика патентов на разные физические подходы к реализации КК. И сразу стало видно, что, например, число патентных заявок на сверхпроводящие квантовые вычисления почти соответствует общему количеству патентных заявок на другие квантовые технологии вместе взятых.
Интерпретировать это можно по-разному. В данном исследовании предлагается такое объяснение. Сверхпроводящие квантовые вычисления являются наиболее коммерчески зрелым подходом и отражают влияние богатых крупных корпораций, которые лидируют в этой области. Со стороны это выглядит немного смешно: получается, что им, крупным корпорациям, жалко уже потраченных ими денег на разработку сверхпроводящих КК, причем больших денег, и они полны решимости довести дело конца, чтобы вернуть свои затраты.
После сверхпроводящих квантовых вычислений наибольшее количество патентных заявок приходится на технологии, основанные на фотонных, квантовых точечных, ионных ловушках и топологических методах. Относительно небольшое число патентных заявок на квантовые вычисления с использованием нейтральных атомов, ядерного магнитного резонанса и азотных вакансий, по той же финансовой логике, указывает на то, что эти технологии разрабатываются в основном академическими учреждениями и компаниями на ранних стадиях их, компаний, развития, то есть пока это хлеб бедных.
Но что касается инженерно-изобретательской логики, особенно если она не ставится в рамки начальством, то несмотря на ранее сравнительно небольшое число патентных заявок на квантовые вычисления с нейтральным атомом, ЯМР и азотной вакансией в самые последние годы наблюдается их быстрый рост. При этом график ретроспективной динамики роста квантовых вычислений на нейтральных атомах точь-в-точь повторяет таковой для квантовых вычислений на фотонах и захваченных ионах, но с трехлетней задержкой. Что указывает на потенциал квантовых вычислений на нейтральных атомах стать основным подходом в создании универсального КК.
Как образно писали в IT-блогах в прошлом году: «Сверхпроводящие кубиты до сих пор были зайцем в гонке за полномасштабными квантовыми вычислениями. Но теперь сзади приближается черепаха: кубиты, состоящие из нейтральных атомов. Недавние достижения превратили эти «кубиты на нейтральных атомах» из аутсайдеров в ведущих соперников». И добавляли, что «уже как минимум пять компаний стремятся коммерциализировать квантовые вычисления на нейтральных атомах».
Впрочем, лучше самостоятельно посмотреть графики патентной динамики по всем 8 основным «модальностям квантовых вычислений» и, соответственно, «модальностям КК». Ландшафт Фреда Цю тоже свободно доступен в интернете. Тогда, наверное, вспомнится, что в 2015 году те же словах о черепахе, превращающейся в зайца в гонке за идеальным КК, говорили о квантовых точках (искусственных атомах, гигантских по сравнению с реальными атомами, с контролируемыми параметрами). А сейчас на графиках патентной активности как раз у КТ самая ломаная линия с двумя пиками и двумя провалам за последние 8 лет, действительно напоминающая заячье петляние.
Что касается географии по модальностям, то США лидирует по патентным публикациям в области фотонных технологий и технологий квантовых точек, Китай — в области сверхпроводящих, ионных ловушек и топологических квантовых вычислений, у Японии заметен явный крен в сторону сверхпроводящих и фотонных технологий. Наиболее сбалансированное распределение по разным модальностям в европейских патентных публикациях.
Также, наверное, стоит сказать, что хотя в Китае зарегистрировано наибольшее число патентных заявок по квантовым вычислениям, Америка лидирует по числу патентных заявок по каждому основному подходу к их физической реализации в виде КК. Это может указывать на то, что Штаты лидируют в научно-исследовательской деятельности в области квантового «железа», в то время как КНР уделяет больше внимания квантовому «софту».
Сегодня речь идет о КК уже третьего поколения. Время от времени появляются сообщении об очередной демонстрации «квантового превосходства» над обычными компьютерами, когда КК за несколько минут совершают вычисления, на которые классическому компьютеру потребовалось был то годы, то миллиарды лет. Введены в строй КК с квантовоустойчивыми системами постквантовой криптографии. Вот только самого квантового компьютера, который имело бы смысл атаковать и взламывать, пока как не было, так и нет, есть только обещания, что вот-вот он появится. Ожидание его появления народ, похоже, уже сильно напрягает. Заметен скептицизм насчет его пользы вообще, мол, он никогда полностью не заменит классический компьютер Тьюринга, он эффективен лишь тогда, когда нужно перебрать множество вариантов и выбрать один правильный и в лучшем случае он будет использоваться в качестве сервера, который будет подключаться к обычному компьютеру по мере необходимости.
Возможно, будет и так. Только не надо забывать, что КК всего 45 лет, включая его теоретическое «внутриутробное» развитие. А классический компьютер, если считать дату его рождения (или, по аналогии с КК «теоретического» зачатия) от двоичной арифметики и алгебры Лейбница (начало XVIII века), разностной машины Бэббиджа (первая половина XIX века), булевой системы алгебраической логики (середина XIX века) до алгоритма Тьюринга и первых мейнфреймов, скоро отпразднует свое 250-летие.
А тем, кто сильно волнуется, что скептики все-таки окажутся правы, наверное, полезно напомнить про «Землю Санникова». То, что промысловику мамонтовых бивней Якову Санникову привиделось на горизонте «матерой землей», на деле оказалось маленьким островком Вилькицкого. Но не прошло и десяти лет, как Беллинсгаузен и Лазарев открыли Антарктиду. Пусть в другом полушарии, пусть не с пасущимися на ней мамонтами, а с пингвинами, но огромный и неведомый ранее материк. Инженерно-изобретательская мысль сейчас тоже видит на IT-горизонте нечто грандиозное и обязательно его откроет.