Развитие квантовых технологий в Японии
Гармония является ключевым понятием в Стране восходящего солнца. Японские художники, а в последствии и японские дизайнеры постоянно находились в поиске компромисса между почитанием традиций и современным ходом вещей. В 50-е годы 20 века японские дизайнеры устремили свой взор в сторону электроники. Это именно они создали первый портативный радиоприемник и телевизор. Сегодня в нашей статье поговорим о развитии квантовых технологий в Японии.
Выбрать раздел:
Квантовые технологии в Японии
Руководство Японии считает, что внедрение квантовых технологий (КТ) во все сферы социально-экономической жизни общества и их интеграция с традиционными технологиями будет содействовать устойчивому экономическому росту и успешному решению социальных проблем, сыграв жизненно важную роль в формировании общества будущего. Так, квантовые технологии признаны ключевой перспективной технологией в «Шестом базовом плане развития науки, техники и инноваций» (Sixth Science, Technology and Innovation Basic Plan), утвержденным 26 марта 2021 года и в «Комплексной инновационной стратегии» (Integrated Innovation Strategy 2024, IIS-2024), принятой 4 июня 2024 года правительством Японии.
К настоящему времени правительство Японии разработало и приняло ряд основополагающих документов, непосредственно определяющих развитие квантовых технологий в стране:
- В 2020 году – «Стратегию исследований и разработок в области квантовых технологий» (Quantum Technology and Innovation Strategy, QTIS), описывающую видение и цели, которые должны быть реализованы с помощью КТ.
- В 2022 году – «Концепция развития общества в эпоху квантовых технологий» (Vision of Quantum Future Society), в которой представлены цели и задачи преобразования общества в контексте активного внедрения КТ.
- В 2023 году – «Стратегию развития квантовой индустрии» (Strategy of Quantum Future Industry Development), в которой определены политика и планы по промышленной реализации КТ.
Этими документами предусматривается реализация к 2030 году следующих целей:
- формирование экосистемы из около 10 миллионов пользователей квантовых технологий в Японии;
- увеличение объема производства с использованием КТ до 50 триллионов йен (около 315 млрд долл. США);
- поддержка квантовых компаний-единорогов для формирования ими будущих рынков КТ.
Кроме того, в целях интенсификации развития новых технологий в апреле 2024 года экспертная группа по инновациям в области КТ правительства Японии разработала «Меры по стимулированию развития квантовой промышленности» (Promotion Measures for the Development of Quantum Industries). В соответствии с этим документом предполагается реализация следующих мер:
- Международное сотрудничество, укрепление экспортного потенциала. Предусмотрена активизация обмена информацией между научными и промышленными кругами о путях развития в области КТ на основе зарубежных технологических тенденций и определения «победителей», а также более активное использование рамочных программ со странами-партнерами, таких как многосторонние диалоги и меморандумы о взаимопонимании в области КТ.
- Содействие технологическому развитию (КК, квантовые коммуникации, датчики). Планируется разработка удобных для пользователей испытательных стендов, включая гибридную вычислительную среду, ориентированных на совершенствование материалов деталей и периферийного оборудования, развитие поставщиков и создание примеров использования в соответствии с требованиями промышленности. Внедрение квантовой криптографической связи в стране и продвижение исследований и разработок технологии квантовой ретрансляции и т.д., которая необходима для реализации квантового интернета. Содействие разработке квантовых материалов с новыми физическими свойствами и т.д.
- Развитие кадрового потенциала в области КТ для научных учреждений и промышленности, взаимодействие с зарубежными партнерами по подготовке профильных специалистов.
- Создание венчурных компаний и новых предприятий, расширение соответствующих стартапов.
- Дальнейшее укрепление квантовых хабов.
Инновационные центры квантовых технологий
В соответствии с упомянутыми документами на базе научно-исследовательских организаций страны с 2021 года формируются инновационные центры квантовых технологий (инновационные хабы – Quantum Technology Innovation Hubs, QIH), рис.1.
Четыре, уже функционирующих QIH, определены как ключевые:
- Передовой центр квантовых вычислений (Quantum Computation Pioneering Hub) на базе крупнейшего государственного института физико-химических исследований RIKEN (годовой бюджет за 2023 год составил около 640 млн долл. США). Является штаб-квартирой инновационных центров по КТ в стране. Его деятельность направлена на развитие современной гибридной среды квантово-классических вычислений, объединяющей квантовые компьютеры (КК) и суперкомпьютер Fugaku (занимает четвертое место в TOP500), а также на решение новых промышленных и научных задач с использованием этой среды.
- Межсекторальный центр исследований и разработок для бизнеса на основе технологий квантового ИИ (Global Research and Development Hub for Business by Quantum-AI Technology) на базе Национального института передовых промышленных наук и технологий (AIST) – ведёт разработки вычислительной платформы для гибридных систем на основе квантового ИИ. В дальнейшем он будет предоставлять инфраструктуру и услуги для создания, разработки, оценки и прототипирования компонентов, материалов, устройств и интегральных схем.
- Центр по квантовой безопасности (Quantum Security Center) на базе Национального института информационных и коммуникационных технологий (NICT) – осуществляет исследования вопросов применения квантово-безопасной связи в стране и участвует в создании международной системы сертификации в этой сфере.
- Инновационный хаб в составе Центра фундаментальных квантовых технологий (Foundational Quantum Technology Centre) и Центра квантовых исследований в области естественных наук (Quantum Life R&D Centre) на базе Национальных институтов квантовой науки и технологии (QST) – осуществляет НИОКР, в том числе по развитию оптических технологий и устройств, а также обеспечивает предприятия и организации необходимой инфраструктурой для проведения ими тестирования и исследований квантовых материалов, квантового зондирования и т.д.
Основные направления исследований
Исследования и разработки в Японии в квантовой сфере ведутся по трем основным направлениям: вычисления, коммуникация, зондирование и метрология (Рис.2).
Координацию и руководство работ в квантовой сфере осуществляют:
- Министерство образования, культуры, спорта, науки и технологий (Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology, MEXT) в рамках флагманской программы Q-LEAP и программ фундаментальных исследований CREST и PRESTO.
- Японское агентство науки и технологий (Japan Science and Technology Agency, JST) в рамках своих программ MIRAI и MOONSHOT R&D Program.
- Министерство внутренних дел и коммуникаций (Ministry of Internal Affairs and Communications, MIC) в рамках программы «Исследования и разработки в области квантовой криптографии в спутниковой связи» (R&D of Quantum Cryptography in Satellite Communications).
- Министерство экономики, торговли и промышленности (Ministry of Economy, Trade and Industry, METI) координирует разработку и использование компьютеров на основе квантового отжига.
- Организация по развитию новых энергетических и промышленных технологий (New Energy and Industrial Technology Development Organization, NEDO) в рамках программы разработки инновационных микросхем ИИ и вычислительных технологий следующего поколения (Innovative AI Chip & Next-Generation Computing Technology Development).
- Совет правительства Японии по науке, технологиям и инновациям (Cabinet Office) курирует разработку квантового ПО.
Кроме того, для развития базовых технологий квантовой оптики (лазерная технология, квантовая криптография, электронно-фотонная обработка информации) создана межведомственная программа по стратегическому продвижению инноваций (Strategic Innovation Promotion, SIP).
Подробнее о том, что такое квантовая криптография, с какими вызовами она сталкивается Вы можете прочитать в нашей статье VK. В сообществе представлены различные материалы из мира информбезопасности, тематические переводы и актуальные новости — подписывайтесь.
Основные НИОКР по развитию КТ в Японии проводятся в рамках программы Q-LEAP, рассчитанной на период 2018-2027гг.
В области квантовых вычислений (квантовый симулятор, квантовый компьютер) ведутся следующие проекты:
- исследования и разработки КК на основе сверхпроводников;
- разработка квантовых симуляторов на основе холодных атомов с оптическим управлением с точностью до аттосекундных временных и нанометровых пространственных масштабов и их применение в квантовых вычислениях;
- квантовый симулятор с использованием охлажденных ионов;
- проектирование архитектуры и создание приложений для квантовых вычислений;
- разработка квантовых программных приложений с помощью быстрого классического симулятора квантовых компьютеров;
- крупномасштабная интеграция кремниевых кубитов для реализации КК;
- разработка квантового программного обеспечения.
В области квантовой метрологии и зондирования:
- разработка инновационных сенсорных систем путем интеллектуального управления твердотельными квантовыми датчиками;
- инновации в медицине и науках о жизни за счет применения КТ;
- разработка методов раннего оповещения о землетрясениях с использованием высокочувствительного гравитационного градиентометра;
- исследования квантовой нанофотоники;
- разработка атомного магнитометра с двойным подавлением квантового шума;
- изучение спектроскопических методов, основанных на передовой квантовой оптике, для выяснения функций сложных молекулярных систем;
- конструирование устройств квантового зондирования с использованием квантово-запутанных фотонов;
- разработка высокопроизводительных инерциальных квантовых датчиков будущего поколения;
- материаловедение сложных дефектов для высокочувствительных квантовых датчиков.
В области лазеров следующего поколения:
- исследование функций аттосекундного излучения сильно коррелированных квантовых материалов;
- разработка рекомендаций по упрочнению материалов на основе механизма разрушения атомного масштаба при обработке ультракороткими импульсными лазерами;
- исследование базовых технологий для источника аттосекундных импульсов с высокой частотой повторения, приводимого в действие лазером на свободных электронах;
- изучения механизма формирования тонких структур.
Кроме того, по программе Q-LEAP ведутся проекты по развитию высококвалифицированных кадров, которые будут руководить созданием КТ следующего поколения, и способствовать разработке общих образовательных программ.
В области квантовой коммуникации основные работы ведутся по программе R&D of Quantum Cryptography in Satellite Communications министерства внутренних дел и коммуникаций и включают исследования и разработку технологий для систем криптографической связи, а также оборудования для малой спутниковой связи и портативных наземных станций.
В ходе реализации программ планируется создание к 2027 году квантовой системы NISQ на 100 логических кубитов с планами дальнейшей разработки к 2050 году отказоустойчивого универсального квантового компьютера. Выбранные платформы для развития включают: системы на основе сверхпроводников, ионах в ловушках, фотонных линейно-оптических схем и кремниевых кубитах. В области квантовой коммуникации предусматривается развитие квантовой памяти, создание технологии квантового интерфейса между фотонами и квантовой памятью, а также активное развитие источников и детекторов фотонов. В области программного обеспечения планируется разработка квантового кода коррекции ошибок с низкими накладными расходами и квантовых алгоритмов, разработка ПО для измерений и управления.
Необходимо отметить, что японские исследования и разработки в сфере КТ имеют к настоящему времени определённые успехи, особенно в создании систем квантового отжига. В этом направлении работают такие компании, как NEC (системы на основе сверхпроводников схожие с продуктами канадской фирмы D-Wave), и компании, разрабатывающие системы на основе классических компьютеров для решения алгоритмов квантового отжига. Последние активно продвигают японские компании Hitachi (КМОП-технологии), Тoshiba (квантовые симуляторы) и Fujitsu (системы цифрового квантового отжига). Так, компания Fujitsu в настоящее время использует второе поколение собственной архитектуры Digital Annealer – вычислительных платформ с использованием квантовых методов вычислений.
Цифровой отжиг Fujitsu повышает точность и значительно сокращает время, необходимое для решения задач комбинаторной оптимизации во многих отраслях. Например, используя Digital Annealer, крупный британский банк NatWest выполнил сложнейший расчет по оптимизации состава портфеля HQLAs банка объемом 120 млрд фунтов стерлингов, который должен проводиться регулярно, со скоростью в 300 раз выше, чем на традиционном компьютере, обеспечив при этом еще более высокую степень точности.
В Японии также активно ведется разработка гибридных систем вычислений на основе квантового и суперкомпьютера. Так, в октябре 2023 года в передовом центре сотрудничества RIKEN была запущена гибридная платформа вычислений, которая сочетает в себе преимущества квантовых систем, построенных на сверхпроводящих технологиях и симуляторов. Платформа состоит из КК, который был разработан совместно с крупнейшей телекоммуникационной компанией Японии NTT (Nippon Telegraph and Telephone Corporation). Он является вторым в Японии квантовым вычислителем на сверхпроводниках (первый был запущен RIKEN в марте 2023 года в рамках флагманской программы Q-LEAP). Система включает в себя интегрированный чип из 64 сверхпроводящих кубитов и использует вертикальную схему проводки (vertical wiring scheme), что позволит в дальнейшем её масштабировать. Вторым ключевым элементом платформы является симулятор квантового компьютера на 40 кубитов на основе кластера из мощных суперкомпьютеров для достижения определённой точности.
Кроме того компания Fujitsu в ноябре 2022 года объявила о разработке новой технологии гибридных вычислений future computer workload broker technology. В её основе лежит программная технология, использующая искусственный интеллект для автоматического выбора подходящих ресурсов из передовых вычислительных решений, включая крупномасштабные облачные высокопроизводительные вычисления, квантовые вычисления, технологию квантового отжига, а также квантовые симуляторы для решения сложных вычислительных задач. Использование этой технологии позволит поддерживать как автоматизацию, так и оптимизацию обработки вычислений на нескольких аппаратных устройствах, а также оптимизацию распределения вычислений для разных платформ.
В области квантовых коммуникаций значимых результатов добилась японская компания Тoshiba, которая продемонстрировала практическое применение систем квантового распределения ключей (QKD) для оптоволоконных линий связи длиной до 240 км. Это было достигнуто благодаря использованию полупроводниковых лавинных фотодиодов, которые можно термоэлектрически охлаждать без использования криогенов. Одним из примеров коммерческого использования её продуктов является система QKD, которая была успешно продемонстрирована в сети Phio Quantum Xchange (QXC), соединяющей финансовые учреждения между Нью-Йорком и Нью-Джерси. Она обеспечивает мультиплексирование, которое удваивает пропускную способность сети и позволяет передавать прямой несжатый видеопоток данных вместе с QKD-трафиком по одному оптоволокну.
Кроме того, недавно исследователи компании разработали квантовый генератор случайных чисел (QRNG) на основе фотонной интегральной схемы, что позволило значительно уменьшить размер и стоимость устройства. Разработка Toshiba не только компактна, но и экономична в производстве, что делает ее доступной для массового использования. Первоначальные тесты показали, что QRNG работает стабильно и надежно, даже при значительных изменениях температуры.
С 2022 года в Японии функционирует отраслевой альянс – Quantum Strategic Industry Alliance for Revolution (Q-STAR). В него вошли такие организации, как: компании Canon, KYOCERA, Sumitomo, Toshiba, Toyota Motor, NEC, Nippon Telegraph and Telephone, Hitachi, Fixstars, Fujitsu, Mitsubishi Chemical Group и Mitsubishi Electric, финансовая группа Sumitomo Mitsui Financial Group, банк SBI Sumishin Net Bank, страховая компания Sompo Japan Insurance Inc. и др.
Главной целью Q-STAR является ускорение перехода к КТ посредством сотрудничества промышленности, правительства и научных кругов. Кроме того, предполагается, что Q-STAR будет способствовать глобализации квантовых технологий, ускорению их прогресса и практического применения.
Международное сотрудничество в квантовой сфере
Также следует отметить активную деятельность Японии по международному сотрудничеству в квантовой сфере. Так, с 2020 года действует консорциум Quantum Innovation Initiative Consortium (QIIC) по квантовому партнерству между Японией и американской компанией IBM. Основная цель QIIC – ускорение исследований и разработок в области квантовых вычислений в Японии путем объединения академических талантов из университетов страны, известных исследовательских ассоциаций и крупной промышленности. Организации – члены QIIC будут сотрудничать для привлечения студентов, преподавателей и отраслевых исследователей к семинарам, практикумам и мероприятиям, способствующим развитию новых возможностей для квантового бизнеса в Японии. Среди организаций, согласившихся присоединиться к консорциуму Университет Кейо, Toshiba, Hitachi, Mizuho, MUFG, JSR, DIC, Toyota, Mitsubishi Chemicals и IBM Japan. В 2023 году Токийский университет (UTokyo) и IBM запустили первую в Японии систему Quantum System One, разработанную IBM, оснащенную 127-кубитным процессором Quantum Eagle. QIIC планирует использовать этот новый процессор для квантовых исследований в нескольких областях, включая биоинформатику, физику высоких энергий, материаловедение и финансы.
В 2023 году было подписано трехстороннее межправительственное соглашение в квантовой сфере между Японией, США и Южной Кореей. Стратегии стран в этой области указывают на то, что они стремятся занять лидирующие позиции, расширить квантовую индустрию, развивать таланты, имеющие отношение к КТ, и построить инфраструктуру, необходимую для внедрения квантовых технологий в экономику социальной и экономической сфер своих стран. Кроме того, эти страны обладают взаимодополняющими возможностями в разных квантовых технологиях, что позволит максимально использовать имеющиеся преимущества. Так, США являются мировым лидером в области квантового зондирования и вычислений, проводят передовые исследования во всех областях и поддерживают разнообразную квантовую индустрию, но отстают в области квантовых коммуникаций. Япония – лидер в этой сфере, уже внедрила в коммерческую эксплуатацию системы квантового распределения ключей и является производителем оборудования для квантового шифрования, такого как детекторы фотонов. Япония также является важнейшим производителем других квантовых компонентов и материалов, включая синие нитридо-галлиевые диоды, нелинейную оптику и инструменты для электронно-лучевой литографии. Южная Корея тоже внедрила QKD на коммерческой основе и основала несколько исследовательских лабораторий по квантовым вычислениям, специализирующихся на разработке алгоритмов, исправлении ошибок и квантовом моделировании.
В дополнение к правительственным инициативам Япония и США поддерживают партнерские отношения на академическом и промышленном уровнях. Так, например, в мае 2023 года Чикагский и Токийский университеты заявили о сотрудничестве с целью продвижения квантовых вычислений и развития специализированных кадров. IBM и Google выразили намерение выделить 150 млн долл. США на поддержку университетов и пришли к соглашению предоставить университетским исследователям доступ к некоторым запатентованным технологиям.
Таким образом, предпринимаемые правительством Японии усилия по развитию квантовых технологий позволят:
– сформировать успешную национальную экосистему в сфере квантовых технологий;
– обеспечить технологический суверенитет в квантовой сфере (освоить критически важные технологии, обеспечить безопасность цепочек поставок ключевых компонентов и материалов, создать необходимую производственную инфраструктуру);
– за счет высокоскоростных вычислений нового поколения обеспечить ускорение цифровой трансформации страны и устойчивый экономический рост;
– усилить представительство Японии в международных органах по стандартизации квантовых технологий.