Квантові технології подолали технічні обмеження: три основні ключові напрямки входять у період промислової верифікації

Синьбао Таймс репортер Ю Шенляян Є Лінчжень

8B років похибка не перевищує 1 секунди, квантова технологія знову оновлює точність відліку часу людиною. Цього березня науково-дослідницька команда Університету науки й техніки Китаю (USTC) у розробці оптичних годинників досягла прориву рівня 10^[-19], вивівши глобальні стандарти часу в оптичну епоху. Ця нова точність вимірювань відкриває двері для низки передових застосувань.

Сто років тому фізики з’ясували, що класична фізика не може пояснити мікросвіт, і тоді з’явилася квантова механіка. Нині квантові технології долають межі класичної фізики, переосмислюючи обчислювальні можливості, точність сприйняття та безпеку інформації.

Будучи однією з шести майбутніх індустрій у проєктах «Плану 15-го п’ятиріччя» (十五五), квантові технології є важливою опорою для Китаю у завоюванні ключового права голосу в майбутніх технологіях і промислових напрямах. Нині Китай досяг проривів у трьох основних сегментах: квантових обчисленнях, квантових комунікаціях та квантових прецизійних вимірюваннях. Науково-дослідні інститути, представлені USTC, Шеньчженьським міжнародним інститутом квантових досліджень тощо, а також провідні компанії, представлені Guodun Quantum, Guoyi Quantum та Yuanben Quantum, вирізняються на тлі інших; таким чином, контур «дослідницькі кластери стимулюють розвиток індустрії» вже на початковому етапі сформувався.

Втім, від оригінальних проривів у лабораторіях до масштабованих застосувань у ланцюгах постачання квантовим технологіям усе ще потрібно подолати багато прірв. За умови об’єднання зусиль з боку різних сторін ця війна за першопрохід уже рухається до прориву.

ЗАВОЮВАННЯ ТРЬОХ ОСНОВНИХ КОРНЕВИХ НАПРЯМІВ

Квант — це «найменша одиниця», з якої складається енергія світу. Вчені, використовуючи властивості квантів, перебудовують макросвіт за законами мікросвіту.

У традиційній сфері обчислень біти — це найменші одиниці інформації, вони складаються з двох станів 0 і 1, тоді як у квантовому світі квантові біти можуть одночасно перебувати в суперпозиції станів 0 і 1, ніби монета в обертанні, що має і лицьову, і зворотну сторони; між кількома квантовими бітами виникає заплутаність, яку можна використовувати для ефективних спільних обчислень; загальна кількість станів для n квантових бітів може досягати 2 у n-му степені, що дає можливість підвищувати вимірність обчислювальної потужності.

У глобальних напрямах квантових обчислень, квантових комунікацій і квантових прецизійних вимірювань китайські наукові інституції та компанії демонструють тверду силу, що зрівнюється з рівнем міжнародних топів.

Квантові обчислення загальновизнано як найскладніша сфера в квантових технологіях; їхня мета — винайти квантовий комп’ютер, щоб виконувати обчислювальні задачі, які класичні комп’ютери не можуть розв’язати. Саме тому це є нині одним із ключових напрямів пріоритетної роботи вчених у різних країнах і технологічних гігантів на кшталт Microsoft та Google.

Бере початок у Ключовій лабораторії квантової інформації Китайської академії наук (CAS), Yuanben Quantum успішно розробила надпровідниковий квантовий комп’ютер «Yuanben Wukong», оснащений 72-бітним (72-розрядним) автономним надпровідниковим квантовим чипом. За наявною інформацією, «Yuanben Wukong» через програмно-апаратну спільну оптимізацію операційної системи квантового обчислення «Yuanben Sinan» і квантової системи вимірювання та контролю «Yuanben Tianji» нині стабільно працює понад два роки, накопичивши понад 800 тисяч квантових обчислювальних завдань для 163 країн і регіонів у світі.

У сфері комунікацій квантовий розподіл ключів має властивість: прослуховування відразу виявляється, що переводить зв’язок у абсолютну епоху безпеки. Відомий своєю квантовою секретною комунікацією Guodun Quantum, спираючись на глобально провідне патентне компонування в галузі квантового зв’язку та інше, самостійно розробив п’яте покоління ключових пристроїв для квантової захищеної передачі даних, підтримуючи створення першої у світі лінії квантової захищеної комунікації класу «тисяча кілометрів» «Пекін—Шанхай (京沪干线)», магістральної мережі квантової захищеної комунікації загальнонаціонального масштабу «країна—широка територія», а також «мережі інтегрованої в простір і час (天地一体) широкосмугової квантової захищеної комунікації» та інших масштабних проєктів. Це забезпечує ключову технічну підтримку для переходу квантових комунікацій від лабораторій до демонстраційних застосувань і масштабованих розгортань.

Guoyi Quantum зосереджується насамперед на сфері квантових прецизійних вимірювань і самостійно розробляє висококласні наукові прилади. Керівник компанії в розмові з репортером «Синьбао Таймс» пояснив, що, наприклад, у випадку ключового компонента — алмазного квантового зонду — діаметр кінчика зонда становить лише 500 нанометрів, тобто приблизно 1/100 товщини людського волосся. Цей надзвичайно малий кінчик зонда інтегрує сенсор атомного рівня зі шкалою лише близько 0,5 нанометра. Як термометр може відчувати температуру людського тіла, то для «аускультації» одного клітинного та молекулярного рівня потрібні ще більш мікроскопічні й чутливі інструменти вимірювання — саме тоді на сцену виходять квантові прилади. У 2018 році Guoyi Quantum представила перший у країні вітчизняний комерційний X-діапазонний електронний спіновий резонансний спектрометр, здатний працювати в режимі комерційного використання; це разом одним махом зламало технічну монополію закордонних брендів і дало змогу Китаю отримати важливий прорив у сфері квантових прецизійних вимірювань для індустріалізації.

Нині картина розвитку Китаю в трьох основних підсегментах квантових технологій різна: у сфері квантової захищеної комунікації Китай перебуває на провідних позиціях у світі; у дослідженнях квантових комп’ютерів Китай іде пліч-о-пліч із США, належачи до глобальної першої елітної групи; у сфері квантових прецизійних вимірювань Китай у певних нішах на локально-лідируючому рівні, але в таких напрямах, як висококласні наукові прилади, відставання від розвинених країн досі зберігається.

РОБОТА НАД ТЕХНІЧНИМИ БОТЛЕНКАМИ

Сфера висококласних наукових приладів у Китаї почала розвиватися пізно; у ланцюгу постачання у верхній частині є явні слабкі місця в плані виробництва високоточних високовартісних компонентів. Середньо- та висококласні повні квантові вимірювальні системи були довгий час монополізовані міжнародними гігантами, а інколи також стикалися з експортними обмеженнями та технологічною блокадою з боку західних країн. Крім того, катастрофічно бракує міждисциплінарних квантових висококласних кадрів, які поєднують глибоку теоретичну базу з досвідом індустріалізації, що стало важливою «перешкодою» для розвитку галузі.

Сувора реальність змушує китайські компанії прокладати власний шлях. Керівник відповідного напряму Guoyi Quantum зазначив, що для відповіді на зовнішні виклики компанія самостійно опанувала й узяла під контроль «формування та керування високорівномірними стабільними магнітними полями», «мікрохвильову технологію спінового керування», «конструювання та обробку квантових сенсорів» та інші базові «тверді» технології. Це сприяло тому, що обладнання стало самокерованим і самодостатнім — від ключових компонентів до систем повного комплекту. Водночас компанія ухвалила чіткий план розвитку: у верхній частині — поглиблювати кооперацію місцевих ланцюгів постачання, просувати власні розробки й виробництво ключових компонентів, повністю підвищувати автономність і стійкість ланцюгів постачання; у нижній частині — спираючись на «Quantum Instrument Valley» («量子科仪谷») просувати побудову глобальної мережі застосувань, прискорюючи промислове впровадження квантових технологій у сферах промислового виробництва, здоров’я життя, енергетики тощо.

Заступник віце-президента Guodun Quantum Чжоу Лей зазначив, що перехід лабораторних технологій у промислове виробництво ключовим чином залежить від забезпечення автономного та керованого характеру ключових компонентів, а також від того, щоб реалізувати продукт стабільно, надійно й довести його до інженерної, масштабованої імплементації. У процесі розвитку компанія стикалася з низкою викликів, серед яких: обмежене постачання ключових електронних компонентів, висока складність інтеграції кінцевих продуктів, складність проєктів створення мереж. Наприклад, якщо взяти однопроцесорний детектор фотонів (单光子探测器): на початку років міжнародні продукти були дорогими й мали низьку частку якісних виробів (good yield), що суттєво обмежувало розвиток індустрії квантових комунікацій у Китаї. Зіштовхнувшись із пасивною ситуацією, коли ключовий компонент «упирається в вузьке місце», Guodun Quantum разом із вітчизняними сильними підрозділами провела понад тисячу експериментальних раундів攻关 (攻坚实验) і розробила вітчизняний детектор однопроцесорних фотонів із характеристиками, що значно перевершують міжнародні аналоги. Ця серія продуктів підтримує великі проєкти на кшталт «Пекін—Шанхай (京沪干线)» та «мережі широкого охоплення інтегрованої квантової захищеної комунікації «天地一体» (天地一体广域量子保密通信网络)», створюючи міцну основу для масштабованого розвитку квантових комунікацій.

У 2025 році Guodun Quantum представила перший у світі чотириканальний детектор однопроцесорних фотонів глибокого охолодження з глибиною охолодження (deep cooling). Показники на рівні ключових метрик — ефективність детекції, темновий шум, інтегрованість тощо — оновили світові рекорди; обсяг при цьому становить лише 1/9 від обсягу міжнародних аналогів. Наразі серія детекторів однопроцесорних фотонів, розроблених компанією самостійно, може задовольняти переважну більшість сценаріїв застосування для детекції одиночних фотонів і надає рішення з високою економічною ефективністю для практичних застосувань на кшталт наддалекого розподілу квантових ключів і однопроцесорного зображення.

Завдяки далекоглядному плануванню Науково-технічного управління провінції Гуандун, Шеньчженьський міжнародний інститут квантових досліджень рано почав розгортати розробки ключових приладів квантових технологій — таких як електронні літографічні машини, кріогенні холодні головки та фригонні/дифузійні кріостати (dilution refrigerator) тощо. До того, як за кордоном було запроваджено технологічну заборону та блокування щодо Китаю, відповідні технології вже були практично повністю відпрацьовані, і їм вдалося успішно прорвати блокування, спричинене «західним вузьким місцем» у технологіях.

«Відкладання яєць дорогою» на шляху до індустріалізації

В одному з експериментальних лабораторій квантових обчислень репортер побачив парні вірші (додзьянь): на них написано «Прокладаючи шлях крізь терни, вимірюємо дані; долаючи хвилі, вирощуємо основне ядро/ключові компоненти», а горизонтальна стрічка — «Ніколи не відмовлятися від рукопису (не здаватися й не відкликати подачу)». Реальність же полягає в тому, що хоча квантові обчислення в Китаї після публікації ключових статей і прориву через технічні вузькі місця мають рухатися далі — до індустріалізації та комерціалізації.

Чжоу Лей каже, що шлях розвитку квантових технологій не йде традиційною схемою «спершу технологія стає зрілою, а тоді виходить на ринок». Натомість це шлях глибокого поєднання наукових досліджень і промисловості, а також інноваційний розвиток «відкладання яєць дорогою».

«Відкладання яєць дорогою» — це формулювання, яке використовують у квантовій індустрії. Воно означає, що під час сходження на наукові вершини відносно вчасно переводити проміжні технологічні здобутки в продуктове впровадження. Ця модель «відкладання яєць дорогою» проходить через три головні напрями — квантові комунікації, квантові обчислення та квантові вимірювання — і саме вона стає ключовим маршрутом, через який у найближчий період квантові технології виходитимуть з лабораторій на ринок.

Директор Шеньчженьського міжнародного інституту квантових досліджень, академік CAS Юй Дапенг сказав репортеру, що розробка наукових приладів має забезпечувати серійне виробництво й індустріалізацію (щоб реально реалізувати цінність). У минулому в багатьох країнах проєкти з розробки приладів: зробивши прототип і пройшовши приймання/випробування, його потім часто відкладали, через що технологія врешті втрачалася. З огляду на це Шеньчженьський міжнародний інститут квантових досліджень сформував засновницьку команду з молодих кадрів з різних команд розробки: кожна команда створювала власну компанію, зосереджуючись на різних ключових технологіях і продуктах для індустріалізації; відповідні продукти вже почали продаватися на ринку. Лише за минулий рік інститут «висидів» вісім таких технологічних компаній; наприклад, компанії на кшталт Kunpeng Zhuoyue (鲲腾卓越) демонструють сильні можливості з НДДКР у сфері квантового комп’ютерного «хардверу» та потенціал індустріалізації. Практика Шеньчженьського міжнародного інституту квантових досліджень — типовий приклад «відкладання яєць дорогою».

Нині, хоча деякі компанії заявляють про досягнення проривів в індустріалізації, загальна база все ще досить слабка. Наприклад, більшість компаній продають здебільшого університетам і науково-дослідним інституціям для наукових потреб — а масштаби ринку таких сценаріїв відносно невеликі. У майбутньому потрібно ще ширше розширювати сценарії масштабованого застосування в цивільній сфері, промисловості тощо, щоб індустрія справді здійснила повний перехід «від лабораторії до ланцюга постачання».

Кілька опитаних фахівців галузі заявили, що нинішній розвиток технологій квантових обчислень іще дуже далекий від комерційної стадії, яку малює ринок. Квантові обчислення досі є науковими приладами; ще немає нової обчислювальної потужності, яку можна було б реально запустити на практиці, тож компанії не можуть напряму отримувати від них корисні послуги. Їхні клієнти в основному обмежені науково-дослідними інститутами, університетами й невеликою кількістю інноваційних компаній — переважно для технічних експериментів і досліджень. Окрім кількох математичних задач, спеціально підлаштованих під квантовий комп’ютер, на яких досягнуто квантової переваги, на нинішньому етапі головне завдання квантових обчислень — наздоганяти класичні комп’ютери.

«Ключова короткострокова мета компаній з квантових обчислень — вижити, безперервно накопичувати технології, вирощувати ринок і чекати, доки і технології, і ринок одночасно дозріють». Юй Дапенг вважає, що квантова індустрія — це довгострокова траєкторія. А квантові обчислення потребують періоду вирощування 5—10 років. Він радить: зберігати високий рівень витрат на інтенсивні НДДКР, удосконалювати систему підготовки талантів, посилювати координацію в ланцюзі постачання та скеровувати терплячий капітал у розміщення (інвестиційні програми), щоб просунути Китай від країни квантових технологій до держави з квантових технологій світового рівня, допомагаючи досягти в період «十五五» цілей «квантові комунікації — глобально провідні, квантові обчислення — практичний прорив, квантові вимірювання — масштабоване застосування».