Квант дела

Как начинают использовать разработки квантовых стартапов

Одна из претензий, которую приходится выслушивать разработчикам квантовых технологий, — «зачем это все надо, если ваши устройства ничего не умеют?». Действительно, пока многого не могут, но и говорить «ничего» — несправедливо. Практические применения квантовых технологий уже есть. Пять компаний поделились с «Вестником атомпрома» информацией о результатах своих разработок.

QRate (ООО «КуРэйт»)

Сфера деятельности

QRate — научно-производственная компания, разрабатывающая комплексные программно-аппаратные решения на основе квантовых коммуникаций для обеспечения информационной безопасности, квантовой сенсорики и образования. QRate развивает технологию квантового распределения ключей (КРК, QKD) в интересах российских потребителей с 2017 года.

Проекты и продукты

Основная продуктовая линейка компании:

• QKD312 — программно-аппаратный комплекс квантового распределения ключей;
• QLab — учебная квантовая лаборатория для образовательных и научных проектов;
• QKDmini — миниатюрный передатчик квантовых ключей;
• QButterfly — полупроводниковый лавинный детектор одиночных фотонов.

Система КРК представляет из себя двух «абонентов», Алису и Боба, которые хотят иметь общий квантовый ключ для безопасной передачи данных. Алиса формирует последовательность одиночных фотонов с информацией, закодированной в квантовых состояниях фотонов, а Боб проводит измерения. Если в эти измерения вмешивается злоумышленник (Ева), то общий ключ не формируется и сообщения не отправляются.

Системы, использующие технологию КРК, позволяют решить криптографическую задачу выработки и распределения общих симметричных ключей между легитимными пользователями без участия человека. Выработанные ключи в дальнейшем используются для шифрования информации. Использование технологии КРК называется квантовой криптографией либо квантовыми коммуникациями, хотя термин «квантовые коммуникации» немного шире и предполагает методы передачи данных с помощью физических систем, реализованных на основе законов квантовой физики, а не только выработку и распределение общего симметричного ключа.

Результаты

Демонстрация квантовой защиты блокчейна, беспилотного транспорта, атмосферных оптических линий с использованием существующего коммерческого оборудования, создание квантовой сети между НИТУ «МИСИС» и МТУСИ, демонстрация защиты временного эталона и проч. Многие результаты, продемонстрированные QRate, получены впервые не только в России, но и в мире.

QRate активно поддерживает образование в области квантовых коммуникаций. Компания — участник консорциума НТИ «Квантовые коммуникации» и стратегический партнер НИТУ «МИСИС», сотрудничает со многими учебными заведениями России всех уровней. Сотрудники QRate участвовали в создании профессиональных стандартов в области квантовых коммуникаций, образовательных программ, программ «Профессионалы» соревновательных мероприятий по профессиональному мастерству.

Применение

Продукты QRate в области образования (QLab) и сенсорики (QButterfly) используют ведущие учебные и научные заведения России — НИТУ «МИСИС», НИЯУ «МИФИ», ТГУ, МТУСИ, КТЭП, ГУАП, колледж связи № 54, Сколтех и др.

Система QKD312 тестировалась в информационных системах крупных компаний: «Росатоме», «Сбере», «Газпромбанке», в аэропорту Шереметьево, «Газпроме» и проч. Участники тестов на практике убедились, что QKD312 может интегрироваться в действующие системы без обновления имеющейся инфраструктуры.

Планы и перспективы

Технические специалисты компании занимаются получением сертификата на систему QKD312. Сотрудники блока развития бизнеса способствуют формированию рынка: участвуют в проработке сервисов, использующих технологию КРК, и решений от технологических партнеров.

«Новые спинтронные технологии» (ООО «НСТ»)

Сфера деятельности

Разработка технологических решений в области спинтроники (значение этого и других терминов см. в Словаре) для умных сенсоров, СВЧ-детекторов с функцией харвестинга энергии и энергоэффективных вычислительных систем-аннилеров на основе стохастического бита.

Проекты и продукты

НСТ разрабатывает спинтронные устройства нового поколения:

• умные сенсоры с высокой чувствительностью к магнитным полям, в том числе магнитроды для мозга;
• СВЧ-детекторы с функцией харвестинга энергии;
• энергоэффективные вычислительные системы-аннилеры на основе стохастического бита.

Магнитроды для мозга — устройства для регистрации нейронной активности с высокой точностью. Они используют спинтронные сенсоры для регистрации слабых магнитных полей, генерируемых нейронами, обеспечивая неинвазивное или минимально инвазивное считывание мозговой активности. Магнитроды для мозга позволяют разрабатывать новые нейроинтерфейсы, методы исследования мозга и диагностики неврологических заболеваний.

СВЧ-детекторы с харвестингом энергии способны не только детектировать радиочастотные сигналы, но и извлекать из них энергию для питания маломощных беспроводных устройств. Спинтронные структуры преобразуют радиочастотные сигналы в постоянный ток, который можно использовать для питания датчиков, IoT-устройств и маломощных беспроводных систем. СВЧ-детекторы с харвестингом энергии уменьшают зависимость от батареек, позволяя создавать энергоавтономные датчики и беспроводные системы.

Аннилеры на основе стохастического бита предназначены для решения сложных оптимизационных задач и моделирования стохастических процессов. Они выполняют вероятностные вычисления, используя нестабильные магнитные состояния, для решения комбинаторных задач оптимизации маршрутов, биоинформатики, финансовых прогнозов и в машинном обучении. При решении задач с помощью аннилеров на основе стохастического бита требуется меньше энергии по сравнению с традиционными цифровыми компьютерами.

Результаты

Разработан дизайн сверхчувствительного сенсора для регистрации биомагнитных сигналов, оптимизированный для высокой точности детектирования слабых магнитных полей мозга.

Созданы экспериментальные образцы СВЧ-детекторов, проведены успешные испытания функции харвестинга энергии.

Оптимизированы параметры СВЧ-детекторов под конкретные промышленные применения, включая радиолокационные системы, телекоммуникации и беспроводные датчики.

Экспериментально показана работоспособность спинтронного стохастического бита, создан лабораторный стенд для его тестирования.

Применение

Разработки тестируются в лабораторных условиях, ведутся работы по доведению технологий до стадии промышленного внедрения, команда надеется на скорейшее применение в реальных задачах.

Планы

Оптимизация дизайна и изготовление первых экспериментальных образцов сверхчувствительных магнитродов для мозга.

Доработка и тестирование СВЧ-детекторов в промышленных условиях, адаптация под конкретные области применения.

Масштабирование стохастического бита аннилеров, развитие алгоритмов и тестирование в решении реальных задач бизнеса и науки.

Доработка лабораторного стенда и проведение более глубоких тестов систем стохастического бита.

Расширение партнерств для коммерциализации технологий и внедрения в промышленные и медицинские приложения.

«КуБорд» (ООО «Облачные квантовые технологии»)

Сфера деятельности

Облачные квантовые вычисления: разработка программных эмуляторов квантовых вычислений и интерфейса доступа к ним, проектирование квантовых алгоритмов для решения научно-исследовательских и бизнес-задач.

Продукты

• Программные эмуляторы квантовых компьютеров.
• Облачная платформа квантовых вычислений QBoard.
• Образовательная платформа квантового программирования «Телеквант».
• Облачная операционная система Cloud OS.
• Облачная файловая система Cloud FS.

Программные эмуляторы квантовых компьютеров — это их «цифровые двойники». Они моделируют работу основных логических элементов квантового вычислителя на традиционных компьютерах. Эмуляторы реализуются на традиционных языках программирования и могут быть предоставлены бизнесу и научно-исследовательским организациям по модели On-Cloud (облачный доступ) и On-prem (интеграция в вычислительную инфраструктуру клиента). Эмуляторы полезны для приобретения навыков квантового программирования и апробации новых вычислительных подходов. В некоторых задачах оптимизации эмуляторы могут быть эффективнее традиционных программных пакетов.

Облачная платформа квантового программирования QBoard — low-code-сервис, который оперирует готовыми модулями квантовых алгоритмов и предоставляет пользователю доступ к квантовым компьютерам и программным эмуляторам через простой и понятный интерфейс.

Образовательная платформа квантового программирования «Телеквант» — единственный в России продукт для вузов и корпоративных университетов, совмещающий теорию и практику квантовых вычислений. Теория подается в форме коротких видеоуроков от высококвалифицированных специалистов индустрии квантовых вычислений. Практика — в форме задач и их решений с помощью программного эмулятора квантового компьютера. Библиотека уроков, заданий и эмулятор постоянно развиваются. Для работы с «Телеквантом» пользователю достаточно аккаунта в мессенджере «ВКонтакте» или Telegram и браузера. Бот «Телекванта» принимает от пользователя программный код на одном из самых популярных языков квантового программирования OpenQASM 2.0, проводит вычисления и выдает ответ. «Телеквант» позволяет учащемуся стать ближе к востребованной профессии квантового программиста.

Облачная операционная система Cloud OS — «сетевой суперкомпьютер», который создан не на базе дорогостоящего специализированного оборудования и операционной системы, а как горизонтально масштабируемый кластер компьютеров произвольной мощности, объединенных в сетевом L2-сегменте (втором уровне модели взаимодействия открытых систем). Cloud OS обеспечивает полную функциональность операционной системы, предоставляет дистанционный доступ и использует подключенное оборудование с возможностью автоматического масштабирования.

Облачная файловая система Cloud FSхранит данные файлов в облачных объектных хранилищах (S3) и метаданные в NoSQL (нереляционных) базах данных.

Результаты

Разработаны и активно совершенствуются программные эмуляторы гейтовых квантовых компьютеров и эмуляторы, основанные на принципе программного аннилинга.

С помощью облачной платформы квантовых вычислений QBoard проведены два всероссийских хакатона по квантовому программированию Quant-NN, выполнены десятки индустриальных проектов по квантовым вычислениям и множество научно-исследовательских работ.

Образовательный сервис «Телеквант» является победителем всероссийских конкурсов и премий («Искусный интеллект — 2023» и «Гравитация-2023»). В 2024 году «Телеквант» стал одним из финалистов премии мэра российской столицы «Новатор Москвы», а также был включен в реестр российского программного обеспечения. Более 450 пользователей уже получили тестовый доступ к «Телекванту».

Применение

Компания применяет разработанные ею эмуляторы квантовых компьютеров в собственных исследовательских проектах и проектах, выполняемых в интересах финансовых, нефтегазовых и иных компаний.

Платформа QBoard ускоряет решение задач оптимизации, обработки больших данных и проведения сравнительных тестов перспективных вычислительных архитектур.

Планы

В развитии «Телекванта» приоритет на 2025 год — улучшение характеристик на основе обратной связи пользователей, увеличение количества видеоуроков и практических задач. Значительный объем новых материалов уже готов и будет опубликован в ближайшее время. Планы по другим продуктам компания не раскрывает.

QApp (ООО «КуАпп»)

Сфера деятельности

Программные решения в сфере кибербезопасности с использованием постквантовой криптографии и технологии конфиденциальных вычислений. Постквантовая криптография позволяет защитить ценные данные государства и бизнеса от кибератак с применением как классических, так и квантовых компьютеров, например, в клиент-серверном взаимодействии. Конфиденциальные вычисления позволяют проводить совместную безопасную обработку данных, например, в решении задачи повышения точности модели кредитного скоринга.

Продукты и проекты

• Постквантовый алгоритм цифровой подписи «Гиперикум» (алгоритм — кандидат на включение в новые ГОСТы).
• Библиотека постквантовых алгоритмов и другие программные решения, упрощающие их интеграцию в информационную инфраструктуру бизнес-клиентов.
• Конечные программные решения для квантово-устойчивой защиты данных.
• Образовательный сервис по постквантовой криптографии.

В системное программное обеспечение входят:

• PQC SDK — библиотека постквантовых алгоритмов и средства, упрощающие их интеграцию в информационную инфраструктуру бизнес-клиентов;
• PQC PKI — инфраструктура квантово-устойчивого удостоверяющего центра;
• PQC IP — решение для аппаратного ускорения производительности постквантовых алгоритмов;
• PQCompute — ядро системы конфиденциальных вычислений, основанное на программном подходе (SMPC).

Конечные программные решения для защиты данных:

• PQC GATE — постквантовая защита данных при передаче;
• PQ VPN — квантово-устойчивые виртуальные частные сети;
• PQC CHAIN — квантово-устойчивый блокчейн;
• PQC TLS — квантово-устойчивый TLS-шлюз.

Образовательный сервис по постквантовой криптографии:

• PQ EDU — теория в видеоуроках и практические задачи.

Результаты

Публикация (совместно с компанией Positive Technologies) аналитического отчета «Безопасность квантовых технологий в сфере IT».

Победа в номинации «Кибербезопасность» всероссийской премии Startech.Awards 2024.

Участие в проектировании новых ГОСТов по постквантовым алгоритмам в профильных подгруппах технического комитета (ТК 26) Росстандарта.

Руководство рабочей группой по конфиденциальным вычислениям для решения задач финансовой отрасли. Рабочая группа сформирована представителями Ассоциации ФинТех, «Газпромбанка» и 12 индустриальных компаний.

Планы компания не раскрывает.

QLU (ООО «М-Гранат»)

Сфера деятельности

Разработка сверхчувствительных твердотельных датчиков магнитного поля и интегрированных решений на их основе для биомедицинских приложений.

Проекты и продукты

• Универсальные датчики магнитных полей на основе когерентных состояний спинов в магнитоупорядоченных средах.
• Прецизионные системы визуализации магнитоконтрастных маркеров.

Универсальные датчики магнитных полей на основе когерентных состояний спинов в магнитоупорядоченных средах — это инновационные устройства, способные с высокой точностью измерять слабые магнитные поля за счет использования квантовых свойств спиновых систем. Задача проекта — создать такие датчики.

Принцип работы основан на детектировании радиочастотными и/или магнитооптическими методами спиновых состояний в феррит-гранатовой пленке, которые зависят от внешнего магнитного поля. Датчики могут использоваться в сферах, где требуется высокая точность и чувствительность к слабым магнитным полям.

В медицине датчики могут значительно улучшить такие методы диагностики, как магнитоэнцефалография (МЭГ) и магнитокардиография (МКГ), где регистрируются магнитные поля, создаваемые мозгом или сердцем. Датчики помогут обнаружить, например, эпилепсию или аритмию на ранних стадиях с минимальным вмешательством в организм пациента.

В материаловедении датчики позволят исследовать магнитные свойства наночастиц и тонких пленок. Они используются в разработке диагностических методов персональной медицины и таргетированной доставке лекарств, создании материалов с заданными свойствами.

В геофизике датчики могут применяться для изучения магнитных аномалий Земли, что важно для поиска полезных ископаемых, мониторинга вулканической активности и прогнозирования землетрясений.

В оборонной и аэрокосмической отраслях устройства пригодятся для навигации в отсутствии GPS, обнаружения подводных объектов, подземной связи или мониторинга космического пространства.

В проекте «Прецизионные системы визуализации магнитоконтрастных маркеров» одна из основных задач проекта — разработка томографа на базе высокочувствительных твердотельных датчиков магнитных полей для визуализации магнитных маркеров в биологических исследованиях. Принцип работы такого томографа основан на методе магниторелаксометрии: сначала намагничивание в режиме безопасных магнитных полей маркеров, помещенных внутрь небольших лабораторных животных (например, крыс, минипигов), затем регистрация процесса размагничивания маркеров. По техническим характеристикам (чувствительность, разрешающая способность) томограф должен быть сопоставим с представленными на рынке устройствами для магнитной диагностики (MPI, классический МРТ), но быть более доступным по цене.

Результаты

Чувствительность, время восстановления, динамический диапазон разработанных феррозондовых датчиков с когерентным перемагничиванием вращающимся полем на основе эпитаксиальных пленок феррита-граната могут варьироваться в зависимости от конкретного применения. Для проведения МЭГ-исследований был создан датчик размером 30 х 30 х 0,5 мм с чувствительностью 40 фТл/√Гц, что сравнимо с измерительными системами на основе датчиков с магнитооптической накачкой и SQUID-систем. Также для данного типа датчиков характерно малое время восстановления. После перегрузки импульсными магнитными полями (до 100 мТл) оно составляет меньше 1 мс. Динамический диапазон такой системы составляет 180 дБ. Разрешающая способность компактных устройств для регистрации магнитных сигналов напрямую зависит от геометрических параметров магнитных датчиков, на базе которых они разработаны. Чем меньше будет размер датчика и выше его чувствительность, тем выше будет детализация сигнала и лучше изображение на мониторе. Геометрия такого феррозондового датчика может быть оптимизирована под различные применения. Оптимальная геометрия будет зависеть от типа решаемой задачи и влиять на ключевые характеристики.

По проекту «Прецизионные системы визуализации магнитоконтрастных маркеров» была проведена валидация работы феррозондового датчика с когерентным перемагничиванием вращающимся полем в экспериментах in vitro и in vivo с локализацией сигнала в объеме. Разработана концепция томографа, идет его сборка.

Применение

При помощи феррозондового датчика с когерентным перемагничиванием вращающимся полем на основе эпитаксиальных пленок феррита-граната чувствительностью 40 фТл/√Гц были зарегистрированы альфа-ритмы сигнала головного мозга. Результаты сопоставлены с данными, полученными при помощи коммерчески доступного магнитометра с оптической накачкой. Результаты исследований опубликованы в журналах Human Brain Mapping (2021) и Sensors (2023).

На феррозондовый датчик для магниторелаксометрии и разработанные магнитные маркеры были получены патенты на изобретения (RU 2 828 619 C1, RU 2 824 352 C1), а результаты исследований in vitro и in vivo опубликованы в двух статьях в IEEE Transactions on Biomedical Engineering (2023).

Планы

Работы по увеличению чувствительности феррозондовых датчиков, оптимизации состава, улучшению электронной обвязки и производственного цикла для повышения рентабельности.