eng
Выпуск #4/2024
А. И. Терехов
Библиометрический анализ академической литературы по квантовой обработке информации
Библиометрический анализ академической литературы по квантовой обработке информации
Просмотры: 1256
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.4.296.312
Рассмотрены исторические вехи и выполнен библиометрический анализ развития исследований в области квантовой обработки информации в период 1990–2020 годов. В центре внимания глобальный выход научных публикаций, продуктивность отдельных стран и организаций, международная научная кооперация. С помощью библиометрических индикаторов показаны: динамизм развития области, высокая степень концентрации исследований и международных научных связей, участие в них, наряду с университетами и академическими организациями, крупных корпораций, особенно из Японии и военно-исследовательских структур, в первую очередь, из США. Для России характерны: высокая концентрация исследований в столичных агломерациях и их существенная интернационализация; ведущий вклад РАН и растущая роль университетов в развитии научной базы квантовых технологий, пока еще слабая вовлеченность в исследования российского коммерческого сектора. Источниками информации для анализа послужили библиографические базы данных Web of Science Core Collection и SCOPUS.
Рассмотрены исторические вехи и выполнен библиометрический анализ развития исследований в области квантовой обработки информации в период 1990–2020 годов. В центре внимания глобальный выход научных публикаций, продуктивность отдельных стран и организаций, международная научная кооперация. С помощью библиометрических индикаторов показаны: динамизм развития области, высокая степень концентрации исследований и международных научных связей, участие в них, наряду с университетами и академическими организациями, крупных корпораций, особенно из Японии и военно-исследовательских структур, в первую очередь, из США. Для России характерны: высокая концентрация исследований в столичных агломерациях и их существенная интернационализация; ведущий вклад РАН и растущая роль университетов в развитии научной базы квантовых технологий, пока еще слабая вовлеченность в исследования российского коммерческого сектора. Источниками информации для анализа послужили библиографические базы данных Web of Science Core Collection и SCOPUS.
Теги: quantum information processing; scientific publication; database квантовая обработка информации; научная публикация; база данных;
Библиометрический анализ академической литературы по квантовой обработке информации
А. И. Терехов
ЦЭМИ РАН, Москва, Россия
Рассмотрены исторические вехи и выполнен библиометрический анализ развития исследований в области квантовой обработки информации в период 1990–2020 годов. В центре внимания глобальный выход научных публикаций, продуктивность отдельных стран и организаций, международная научная кооперация. С помощью библиометрических индикаторов показаны: динамизм развития области, высокая степень концентрации исследований и международных научных связей, участие в них, наряду с университетами и академическими организациями, крупных корпораций, особенно из Японии и военно-исследовательских структур, в первую очередь, из США. Для России характерны: высокая концентрация исследований в столичных агломерациях и их существенная интернационализация; ведущий вклад РАН и растущая роль университетов в развитии научной базы квантовых технологий, пока еще слабая вовлеченность в исследования российского коммерческого сектора. Источниками информации для анализа послужили библиографические базы данных Web of Science Core Collection и SCOPUS.
Ключевые слова: квантовая обработка информации; научная публикация; база данных; библиометрический анализ
Статья получена: 29.02.2024
Статья принята: 29.03.2024
Введение
В последнее время все чаще говорят о второй квантовой революции, которая, благодаря таким квантовым явлениям, как суперпозиция и запутанность, открывает возможности для квантовой обработки информации (КОИ). Считается, что базовые технологии КОИ – квантовые компьютеры и вычисления, квантовая связь и криптография, квантовое зондирование и метрология – совместно с другими революционными технологиями радикально изменят научно-технологический базис развития и социально-экономический облик мира в 21‑м веке.
К началу 1980‑х годов идея квантовых вычислений витала в воздухе. Среди ее пионеров были американские физики П. Бениофф и Р. Фейнман, советский математик Ю. И. Манин, однако, кристаллизацию этой идеи связывают с выпуском «Международного журнала теоретической физики» за 1982 год, опубликовавшим доклады конференции «Физика вычислений», проведенную годом ранее в США [1]. В своей статье Р. Фейнман высказал тезис, ставший знаменательным для квантовых вычислений: квантовую систему из N частиц нельзя смоделировать на классическом компьютере, поскольку его ресурсы не растут экспоненциально с ростом N; такое моделирование возможно с помощью компьютера нового типа – «квантового компьютера» [2]. Более десяти лет квантовые компьютеры оставались для ученых лишь интеллектуальным увлечением, пока два американских математика не показали: разложение целого числа на простые множители может быть эффективно выполнено на гипотетическом квантовом компьютере (П. Шор в 1994 году); такой компьютер способен ускорить проведение поиска в неструктурированном поисковом пространстве (Л. Гровер в 1996 году). Эти два практических применения, в особенности, первое, ставящее под угрозу существующие системы криптографии, подстегнули интерес к КОИ, превратив ее в отдельную широко признанную область научных исследований [3]. Этому способствовал еще целый ряд обстоятельств: в начале 1990‑х годов стало понятно, что совершенствование традиционных компьютеров, согласно закону Мура, скоро достигнет квантового предела и потребует радикальных технологических изменений; развитие физики, в свою очередь, привело к появлению технологии захваченных ионов, усовершенствованных оптических резонаторов, квантовых точек и других достижений, позволяющих задуматься о создании работоспособных устройств квантовой логики и т. д. [4].
К началу 2000‑х годов идея квантового компьютера стала обретать черты практической достижимости [5], а разработка все новых квантовых алгоритмов [6] сместило центр внимания квантовых вычислений на борьбу за «квантовое превосходство» для стимулирования новых достижений в разных областях: от химии, материаловедения, фармацевтики до перспективного производства, оптимизации трафика, банковского дела, искусственного интеллекта, кибербезопасности, оборонной сферы и т. д. [7–10]. Хотя формальное превосходство квантового компьютера над классическим было продемонстрировано в 2019 году в США и в 2020 году в Китае, вопрос о полезном «квантовом превосходстве» пока остается открытым. Появление полезного отказоустойчивого квантового компьютера – главной цели мировой «квантовой гонки» – по оценкам экспертов, можно ожидать лишь через 10–15 лет [11], однако, уже имеющиеся «шумные» квантовые компьютеры промежуточного масштаба способны решать отдельные практические задачи быстрее классических собратьев [12].
Многообещающие рыночные возможности, а также потенциальные угрозы безопасности привели к выработке политик и программ в области КОИ как отдельными странами, так и их союзами и блоками. Создаваемые в разных странах квантовые экосистемы имеют свои особенности. Например, в США и Китае, наряду с государством, высока роль цифровых гигантов (IBM, Google, Microsoft или Alibaba и Baidu); в США значительно больше, чем в Китае, стартапов, а в Китае более сильно централизованное начало. Не менее 14 стран-членов ЕС имеют национальные квантовые инициативы, в дополнение к которым в 2018 г. принята общеевропейская флагманская инициатива. Ввиду отсутствия цифровых гигантов в ЕС практикуются научно-индустриальные объединения, например, консорциум компаний Airbus, Leonardo, Orange и научных институтов для изучения проекта будущей европейской сети квантовой связи. По аналогии с консорциумом развития квантовой экономики в США создан Европейский консорциум квантовой индустрии. Для стран ЕС не характерна, как для США и Китая, значительная вовлеченность в исследования по КОИ военных.
Хотя Российский квантовый центр (РКЦ) был создан еще в 2011 году, о стратегической важности («сквозных») квантовых технологий Президент РФ В. В. Путин заявил в 2016 году в послании Федеральному Собранию [13]. В 2019 году была утверждена дорожная карта (ДК) развития квантовых технологий с пятилетним бюджетом 51,1 млрд рублей. Правительство РФ и Госкорпорации – Росатом, РЖД и Ростех – подписали соглашения о намерениях по трем направлениям КОИ: квантовые вычисления, квантовые коммуникации и квантовые сенсоры, соответственно [14]. Две из трех разработанных ДК – Росатома и РЖД – были утверждены в 2020 году, а под эгидой Росатома создана Национальная квантовая лаборатория – научно-технологический консорциум, ставший основой отечественной квантовой экосистемы [8]. Ввиду важности квантовых технологий для технологического суверенитета в конце 2022 года на их развитие из бюджета РФ выделено не менее 100 млрд рублей, а квантовые вычисления и коммуникации сохранили позиции в списке важных «сквозных технологий» при его пересмотре в 2023 году из-за западных санкций. У нас, как и в ЕС, отсутствуют цифровые гиганты, участие военных в работах по КОИ пока тоже невысоко, а наложенные санкции будут сильно ограничивать возможности международной научной кооперации.
Несмотря на впечатляющие экономические перспективы и коммерческие прогнозы, КОИ в большой мере остается наукой. Только дальнейшие научные исследования способны разрешить все еще значительные неопределенности технологического и рыночного характера, поэтому анализ их развития, в том числе с применением библиометрии представляет интерес. При этом нужно учитывать специфику КОИ. Еще до опубликования П. Шором его знаменитой статьи с ним побеседовал сотрудник Агентства национальной безопасности (АНБ) США, который позже написал: «Такая способность к дешифровке могла бы сделать военные возможности проигравшего почти бесполезными, а его экономику разрушить» [15]. Из документов, обнародованных Э. Сноуденом в 2013 году, выяснилось, что АНБ США выполняло секретную программу создания «криптологически полезного квантового компьютера» для взлома Интернета [16]. Естественно, что интересы военных и спецслужб привели к закрытому характеру части исследований по КОИ, однако, это не делает бесполезным библиометрический анализ академической (открытой) части литературы.
Исходные данные
Развитие КОИ и ее подобластей уже было предметом библиометрического анализа в ряде работ [17–19]. Отталкиваясь от них, в настоящей статье внесены улучшения в методы поиска релевантных публикаций, направленные на более широкий охват и углубленную детализацию основных тематик КОИ. Построенный поисковый запрос включал более 250 ключевых терминов, которые охватывали три основные составляющие КОИ (см. Приложение). В качестве основного источника информации использованы две БД из коллекции Web of Science Core Collection (WCC): Science Citation Index Expanded (БД SCIE) и Conference Proceedings Citation Index – Science (БД CPCI-S), дополнительного – БД SCOPUS (SCO). Во всех случаях использован «title – abstract – key» – поиск. Исходная выборка из БД SCIE и CPCI-S (на момент обследования в марте 2022 г.) включала 80962 релевантных для КОИ документа (типа: article, review, proceedings paper, letter) за период 1990–2020 гг., которые послужили основой для библиометрических расчетов. Данные из БД SCO использовались в ряде случаев для дополнительных сравнений.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Далее, приведены основные результаты анализа в соответствии с поставленными задачами.
Библиометрические показатели формирования научной базы КОИ
Несмотря на разницу в составе и масштабе охватываемых документов, библиометрический расчет по БД WCC и SCO показывает схожую динамику развития мировых исследований по КОИ (сплошные линии на рис. 1): быстрый рост на всем интервале с выраженным ускорением в периоды 1990–2003 и, особенно, 2015–2020 годов. Некоторое замедление роста публикационной активности между 2003 и 2015 годами. отчасти проясняет динамика относительных показателей (пунктирные линии на рис. 1). Исследования по КОИ являются частью изучения квантового мира, поэтому доля КОИ – публикаций в общем потоке «квантовых» публикаций (выделяемых нами с помощью общих терминов {quant} и {quantum}) могла бы отражать динамику интереса глобального сообщества профильных ученых к тематике КОИ. Ускоренное расширение области на начальном этапе (до 2003 года), очевидно, исходило из взрывного интереса профильных ученых к новой тематике, на серединном же этапе (2003–2015 годы) расширение замедлилось, вероятно из-за внутренней стабилизации академического интереса к КОИ (рис. 1), причиной чего мог стать недостаток прорывных идей, практических результатов, целевого финансирования и т. д. Однако «замедление» могло быть связано и с уходом части работ из открытого сегмента. Наиболее быстрый рост начался с 2015 года (рис. 1), когда к исследованиям подключились крупные игроки на технологическом рынке, а правительства большинства технологически развитых стран приняли долгосрочные программы и приступили к созданию необходимой инфраструктуры для развития КОИ.
Долевой показатель заметно варьируется по странам. Согласно рис. 2, его наибольшее отклонение от общемирового тренда характерно для Китая и России. «Спурт» Китая после 1997 года привел его к лидерству по доле КОИ в общем количестве «квантовых» публикаций, достигшей в 2008 году 21,2%. Последовавшее снижение и стабилизацию этой доли (в районе 15%) на фоне растущей государственной поддержки области логично было бы связать с усилением режима секретности китайских исследований. Россия, занимающая по количеству «квантовых» публикаций 6‑е место в мире, значительно уступает ему в интересе профильных ученых к проблематике КОИ, хотя с 2013 г. в связи с созданием РКЦ и последующим принятием программных документов этот интерес стал быстро повышаться. Заметным отличием соответствующей кривой для США от общемирового тренда является опережающий рост с 2015 года, который стимулировала национальная приоритезация КОИ. Немецкие профильные ученые поступательно наращивали свой интерес к проблематике КОИ, выйдя на общемировой тренд лишь к концу периода.
В экономико-технологических преобразованиях квантовые технологии будут взаимодействовать с другими революционными технологиями, прежде всего с нанотехнологиями, которые уже признаны мегатрендом 21‑го века, приносящим множество прорывных инноваций [20]. Хотя соотношение НАНО- и КОИ-публикаций за период 2000–2022 годов существенно в пользу первых (рис. 3), по среднегодовому темпу роста между 2015 и 2022 годами они уступают вторым: 4,8% против 12,3%. Заметно ускорился рост числа тематически пересекающихся публикаций, при этом влияние в большей степени направлено от НАНО к КОИ. На масштабе длин атомов и молекул квантовая механика всегда играет роль, однако, зачастую она не лежит в основе исследования. Напротив, в нанонауке есть области, которые явно используют наносистемы для изучения квантово-механических эффектов и применения их в качестве ресурса в квантовых технологиях (например, полупроводниковые квантовые точки). Как следствие, прогресс в нанонауке способствует лучшей реализации этого ресурса [21].
Основные мировые участники исследований (страны и организации)
В исследованиях по КОИ, хотя бы минимально, участвовали около 120 стран, показательно, что в первую десятку по продуктивности входят все промышленно развитые страны из группы G7, а также Китай, Австралия и Россия (рис. 4). Для производства научного знания характерна высокая степень концентрации, когда на долю первой десяткой стран приходится около 80% публикаций, а публикационный вклад двух лидеров (США и Китая совокупно) вырос с 40 в 2004 до 53% в 2020 году (рис. 5). Первая десятка академических, правительственных и университетских организаций мира, внесших наибольший вклад в исследования по КОИ, представлена на рис 6. О значительных коммерческих ожиданиях говорит также участие в исследованиях крупных корпораций и компаний, в основном, из США и Японии: Nippon Telegraph Telephone Corp. (Япония; 622 публикации); International Business Machines IBM (США; 615); Microsoft Corp. (США; 296); Toshiba Corporation (Япония; 259); Hewlett-Packard (США; 240); Nippon Electric Corp. (Япония; 259); Google Inc. (США; 165); AT&T Inc. (США; 164); Raytheon Technologies Corp. (США; 116); Intel Corp. (США; 99). На долю корпоративного сектора совокупно приходится более 4.2% мировых публикаций по КОИ, в США около 10, в Японии – около 20%. Если в США по количеству публикаций в области квантовой криптографии лидирует МТИ, то в Японии – «Nippon Telegraph Telephone Corporation». Даже в открытой части американские исследования по КОИ заметно милитаризованы, например: на долю МО США вместе с военно-исследовательскими структурами (лаборатории видов вооруженных сил или Командование исследований, разработок и инженерии армии США) пришлось 3,4, а на долю МЭ США вместе с национальными лабораториями – 8,4% публикационного выхода страны. Свою лепту вносят военно-промышленные компании: Raytheon Technologies Corp., Northrop Grumman Corp. и др. Кроме того, в спонсировании более 9% публикаций за 2008–2020 годы участвовали DARPA (Агентство передовых оборонных исследовательских проектов) или IARPA (Агентство передовых исследований в сфере разведки). Тем не менее, основной вклад в исследования все же за университетами, в первую очередь, ведущими: помимо лидеров – системы Калифорнийского университета и МТИ (рис. 6), 11,6% национальных публикаций на счету восьми престижных университетов из «Лиги плюща». Несмотря на большой вклад Академий наук, основными участниками публикуемых исследований по КОИ в России и Китае также выступают университеты. Во Франции же лидирует Национальный центр научных исследований (69% всех публикаций по КОИ).
Международная научная кооперация и соперничество
Важным фактором развития исследований в области КОИ стала международная научная кооперация, рост которой отражает увеличение доли мировых КОИ – публикаций, выполняемых учеными из нескольких стран: с 21,5% в 2000 году до 30,0% в 2010 и 33,8% – в 2020 году. Согласно рис. 7, процент международного соавторства для стран с количеством от 10‑ти КОИ – публикаций имеет диапазон концентрации: 65–75%. Из первой десятки стран сюда попадают Канада и Германия (табл. 1). Несколько меньший, но достаточно высокий показатель кооперации у Австралии и других европейских стран. В относительно умеренной степени сотрудничают с другими странами США, Россия и Япония, наиболее самодостаточен Китай. Интересно, что большая конфиденциальность работ по криптографии не для всех стран сопровождается снижением международной научной кооперации; тем не менее, в случаях России и Китая такое снижение выглядит значительным (табл. 1).
Приведенные данные показывают, что быстрое развитие исследований в области КОИ сопровождалось возрастающей долей производства нового научного знания на международном уровне. К сожалению, общая польза от международной научной кооперации все более приносится в жертву политике. Появление квантовых технологий совпало с гонкой США и Китая за глобальное технологическое превосходство, причем США ставят своей целью в ключевых технологиях сохранять уже не просто относительные преимущества, а как можно больший отрыв от конкурентов. Однако явные успехи Китая, особенно в области квантовой связи и криптографии (рис. 8) заставляют США прибегать к санкционной политике. Под другим предлогом в 2022 году США уже ввели беспрецедентные санкции против российской науки, включая экспортный контроль за поставками специальных холодильников, квантового программного обеспечения и облачных сервисов в Россию. В настоящее время обсуждается аналогичный экспортный контроль против Китая. Насаждается и «блоковый» принцип: так, исходя из геополитических интересов, участники альянса AUKUS (Австралии, Великобритании, США) заключили квантовое соглашение для ускорения квантовых возможностей в позиционировании и навигации. Очевидно, такого рода действия не могут способствовать общему прогрессу исследований. Движение России в мировом рейтинге продуктивности в области КОИ показательно: с 7‑го места в 2000 она опустилась на 17‑е к 2013 г., после чего начался подъем и возвращение в Топ‑10 стран в 2018 году; в 2020 году она уступала Франции (9‑е место) всего 15 публикаций. Заметную роль в возвращении страны в лидирующую десятку сыграла международная научная кооперация. За 30‑летний период Россия имела кооперационные связи с 65 странами, причем в списке ее партнеров первые семь – это члены G7. Вместе с ними, а также Швейцарией и Швецией, Россия входила в наиболее сплоченное «ядро» сети международных соавторских связей в КОИ в 2000–2017 годах [22]. Международное соавторство играло важную роль и для повышения видимости отечественных КОИ–публикаций; так, по нашим расчетам, из 168 российских публикаций за 2000–2019 годы, вошедших в состав 10% наиболее цитируемых, ~92% имели соавторов из других стран. Таким образом, разрушение внешних научных связей из-за введенных санкций может негативно повлиять на продуктивность и качество российских исследований. Коль скоро нам предстоит вынужденная автономизация исследований, рассмотрим подробнее их внутреннюю организацию и структуру.
Внутрироссийский исследовательский ландшафт в области КОИ
Согласно табл. 2, основными отечественными участниками исследований являются НИИ РАН, университеты, а также РКЦ. Хотя в 2014 годы университеты обошли РАН по совокупному публикационному вкладу в области КОИ, это было достигнуто преимущественно за счет международных и внутренних межсекторальных соавторских связей; собственный вклад университетов при этом снизился с 50% в 1993–2006 годах до 25% в 2007–2020 годах. Кроме того, КОИ-публикации с участием РАН в среднем более цитируемы, чем те, в которых участвуют университеты (табл. 2, столбец 5). То есть в КОИ отечественный университетский сектор пока не стал самостоятельным драйвером исследований, как предполагалось университето-центристской политикой, проводимой с 2006 года. Можно отметить ФТИ РАН и ИТМО как эффективных производителей высоко цитируемых публикаций. Однако наибольшая пропорция таких публикаций (15,1%) все же у Института теоретической физики им. Л. Д. Ландау РАН. Его сотрудники (в том числе, работающие за рубежом) опубликовали 13 статей, процитированных более 100, две – более 1000 раз; выходцу из этого института А. Ю. Китаеву принадлежит самая цитируемая российская публикация, посвященная отказоустойчивым квантовым вычислениям с помощью энионов. Наследие советских времен – наукограды (даже без классических академгородков типа Новосибирского) внесли заметный вклад (~25%) в публикационный выход страны.
Публикационная активность крупных отечественных корпораций пока невелика: 53 публикации по КОИ выполнил «Росатом» (в основном силами ФГУП ВНИИ автоматики им. Н. Л. Духова), 2 – «РЖД». Такие профильные компании, как «Яндекс», «Сбер», «Мэйл.ру», «Лаборатория Касперского», не имеют публикаций. Наукоемкий коммерческий сектор в КОИ формируется пока за счет молодых стартапов (QRate, Quanttelecom LLC, QAPP, DEPHAN и др.), выращиваемых, преимущественно, в РКЦ. В целом, вклад корпоративно-коммерческого сектора страны составил около 3,4% всех отечественных публикаций, что меньше среднемирового показателя. Участниками примерно 1,5% российских публикаций были зарубежные корпорации.
России традиционно присуща высокая степень концентрации научного потенциала, особенно в появляющихся высокотехнологичных областях, что подтверждают табл. 3 и рис. 9. За весь период научные учреждения одной Москвы произвели более половины отечественных КОИ-публикаций. Согласно рис. 9, заметного тренда на географическую деконцентрацию исследований в области КОИ (как и в целом) не наблюдается: вклад «Центра», за небольшим исключением, колеблется между 70 и 80, а «Остальной России» – 20 и 30%. Для преодоления концентрации нужно активнее развивать научные связи «Центра» с «Остальной Россией», важную роль может также сыграть создаваемый в Сарове Национальный центр физики и математики, в научную повестку которого входят и квантовые технологии.
ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Возникнув в 1980‑е годы как визионерская идея, профессионально заинтересовавшая лишь немногих ученых, в начале 1990‑х гг. КОИ превратилась уже в отдельную широко признанную область научных исследований, для анализа развития которой может быть полезна библиометрия. Выполненный библиометрический анализ, в частности показал:
быстрый рост научной базы области, хотя высокая концентрация исследований на уровне ведущих стран и научных организаций мира говорит пока еще о ранней стадии ее развития. Тем не менее, большие экономические ожидания подтверждает участие в исследованиях крупных корпораций, особенно из Японии, а стремление получить в перспективе военно-стратегические преимущества – участие военно-исследовательских структур, в первую очередь, из США;
КОИ – область международного сотрудничества, поскольку для любой страны сложно продвигать квантовые технологии самостоятельно, особенно на ранней стадии развития.
Так, более трети мировых публикаций в 2020 г. были выполнены международными командами ученых. Даже в такой чувствительной подобласти, как квантовая криптография, доля таких публикаций в 2020 году составила 27,5%. Отсюда политизация исследований, сопровождающаяся санкциями, мерами экспортного контроля и т. п., может серьезно затормозить их развитие. Около 29% российских КОИ-публикаций за 2016–2020 годы были выполнены в соавторстве с кем-либо из четверки ведущих западных стран: США, Германии, Великобритании, Франция. Разрыв этих связей нанесет ощутимый удар по отечественным исследованиям, а заместить их на восточном направлении будет непросто;
наряду с интернационализацией, есть еще ряд характерных для России черт в развитии исследований по КОИ:
значительная концентрация исследований в «Центре», где расположены наиболее сильные отечественные НИИ, университеты и РКЦ;
ведущая роль РАН, которая входит в первую десятку мировых организаций по продуктивности в области КОИ, а внутри страны превосходит университетский сектор по вкладу в мировой Топ‑10% высоко цитируемых публикаций. Кроме того, ученые из РАН – (со)авторы самых высоко цитируемых (более 1000 ссылок) отечественных публикаций;
на фоне активного собственного участия в исследованиях крупных зарубежных компаний отечественный корпоративно-коммерческий сектор представлен пока довольно слабо (возможно, в силу закрытости работ), что диссонирует с растущими ожиданиями глобальных коммерческих выгод от квантовых технологий.
Считается, что квантовые технологии будут столь же революционными в 21 веке, как использование электричества в 19 веке, но на вопрос, когда и как это произойдет, пока нет определенного ответа. На переднем крае новой квантовой революции – квантовые вычисления, обладающие потенциальной способностью экспоненциально увеличивать вычислительную мощность. Благодаря этому они обещают ускорить поток научных открытий и технологических инноваций во многих областях, в том числе через укрепление других технологий широкого применения, таких как искусственный интеллект. Однако сказанное относится к идеальным отказоустойчивым квантовым компьютерам (с миллионами кубитов), появление которых ожидается, не ранее чем через 10–15 лет.
Доступные в настоящее время «шумные» квантовые компьютеры промежуточного масштаба (с десятками или сотнями кубитов) используются, в основном, для вычислительной поддержки при моделировании новых продуктов, материалов и лекарств. На их счету также две упомянутые демонстрации формального превосходства над классическими собратьями (в 2019 и 2020 года.). Однако в 2023 году компания IBM сообщила, что ее 127‑кубитный «шумный» компьютер превзошел современные суперкомпьютеры при решении вполне практической задачи: моделирование динамики спинов электронов в материале для предсказания таких его свойств, как намагниченность [12]. Этот результат ставит вопрос о возможном достижении полезного «квантового превосходства» еще в эпоху «шумных» квантовых компьютеров до того, как будут реализованы полностью отказоустойчивые квантовые вычисления. Как бы то ни было, еще предстоит провести значительный объем исследований и экспериментов, чтобы реализовать весь потенциал квантовых вычислений. Несколько незаслуженно в тени квантовых вычислений находятся квантовое зондирование и связь, которые являются технологически более зрелыми и уже предлагают коммерчески доступные устройства, такие как магнитометры или устройства квантового распределения ключей [23]. Однако и здесь еще много сугубо исследовательских тем: многокубитные датчики с расширенными возможностями, квантовые повторители, многостороннее квантовое разделение секрета и т. д. То есть квантовые технологии второй волны все еще область исследований, для анализа динамики и структуры которой была бы и в дальнейшем полезна библиометрия, опирающаяся на более широкий набор актуализированных данных. К сожалению, настоящий анализ является для России своеобразной фиксацией статус-кво накануне ее отключения от мировых БД WCC и SCO.
REFERENCES
Editorial. 40 years of quantum computing. Nature Reviews Physics. 2022; 4(1). https://doi.org/10.1038/s42254-021-00410-6.
Feynman R. P. Simulating Physics with Computers. International Journal of Theoretical Physics. 1982; 21(6/7): 467–488.
Nil’sen M., CHang I. Kvantovye vychisleniya i kvantovaya informaciya. – M.: Mir. 2006. 824 p. (In Russ.)
Нильсен М., Чанг И. Квантовые вычисления и квантовая информация. – М.: Мир. 2006. 824 с.
Quantum Information Science. An Emerging Field of Interdisciplinary Research and Education in Science and Engineering. Report of the NSF Workshop. US, Virginia. 1999. URL: https://www.nsf.gov/pubs/2000/nsf00101/nsf00101.pdf.
DiVincenzo, D. P. The physical implementation of quantum computation. Fortschritte der Physik – Progress of Physics. 2000; 48(9–11): 771–783. https://doi.org/10.1002/1521-3978(200009)48:9/113.0.CO;2-E.
Montanaro A. Quantum algorithms: an overview. npj Quantum Information. 2016; 2: Article number 15023. https://doi.org/10.1038/npjqi.2015.23.
Bova F., Goldfarb A., Melko R. G. Commercial applications of quantum computing. EPJ Quantum Technology. 2021; 8(2): 13 p. https://doi.org/10.1140/epjqt/s40507-021-00091-1.
Kvantovye tekhnologii dlya gosudarstva i biznesa: nastoyashchee i budushchee. – M.: Fond Roskongress. 2023. 28 p.
Квантовые технологии для государства и бизнеса: настоящее и будущее. – М.: Фонд Росконгресс. 2023. 28 с.
Najafi K., Yelin S. F., Gao X. The Development of Quantum Machine Learning. Harvard Data Science Review. 2022; 4(1): 1–13.
Krelina M. Quantum technology for military applications. EPJ Quantum Technology. 2021; 8(1): Article number 24. https://doi.org/10.1140/epjqt/s40507-021-00113‑y.
Groenland K. The professional’s guide to Quantum Technology. Part 5 – Timelines: When can we expect a useful Quantum Computer? 12 May 2023. URL: https://www.quantum.amsterdam/part‑5‑when-can-we-expect-a-useful-quantum-computer-a-closer-look-at-timelines/.
Choi C. Q. IBM: Quantum computers are already doing heavy lifting. 22 Jun 2023. URL: https://spectrum.ieee.org/practical-quantum-computing-ibm.
Poslanie Prezidenta RF Federal’nomu Sobraniyu ot 01.12.2016. Moskva. 01.12.2016. URL: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_207978/. (In Russ.)
Послание Президента РФ Федеральному Собранию от 01.12.2016. Москва. 01.12.2016. URL: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_207978/.
Fedorov A. K. Kvantovye tekhnologii: ot nauchnyh otkrytij k novym prilozheniyam. Fotonika. 2019; 13(6): 574–583. DOI: 10.22184/1993‑7296.FRos.2019.13.6.574.583. (In Russ.)
Федоров А. К. Квантовые технологии: от научных открытий к новым приложениям. Фотоника. 2019; 13(6): 574–583. DOI: 10.22184/1993‑7296.FRos.2019.13.6.574.583.
Witt S. The World-Changing Race to Develop the Quantum Computer. The New Yorker. Annals of Technology. 19 Dec 2022. URL: https://www.newyorker.com/magazine/2022/12/19/the-world-changing-race-to-develop-the-quantum-computer.
Cartwright J. NSA keys into quantum computing. 06 Feb 2014. URL: https://physicsworld.com/a/nsa-keys-into-quantum-computing/.
Wang J., Shen L., Zhou W. A bibliometric analysis of quantum computing literature: mapping and evidences from Scopus. Technology Analysis & Strategic Management. 2021; 33(11): 1347–1363. DOI: 10.1080/09537325.2021.1963429.
Scheidsteger T., Haunschild R., Bornmann L., Christoph E. Bibliometric analysis in the field of quantum technology. Quantum Reports. 2021; 3(3): 549–575. https://doi.org/10.3390/quantum3030036.
Terekhov A. I. Kvantovaya obrabotka informacii: bibliometricheskij vzglyad. Prikladnaya informatika. 2019; 14(3): 55–65. DOI: 10.24411/19938314201910015. (In Russ.)
Терехов А. И. Квантовая обработка информации: библиометрический взгляд. Прикладная информатика. 2019; 14(3): 55–65. DOI: 10.24411/19938314201910015.
Bhushan B. Introduction to Nanotechnology. In: Springer Handbook of Nanotechnology. – Berlin, Heidelberg: Springer, 2017. P. 1–19.
Editorial. Quantum nanoscience. Nature Nanotechnology. 2021; 16: 1293. https://doi.org/10.1038/s41565-021-01058-0.
Terekhov A. I. Pozicionirovanie Rossii v poyavlyayushchihsya vysokotekhnologichnyh napravleniyah. Vestnik RAN. 2022; 92(1): 74–85. DOI: 10.31857/S0869587322010091. (In Russ.)
Терехов А. И. Позиционирование России в появляющихся высокотехнологичных направлениях. Вестник РАН. 2022; 92(1): 74–85. DOI: 10.31857/S0869587322010091.
The quantum state of affairs. Nature Physics. 2023; 19: 605. https://doi.org/10.1038/s41567–023–02072‑w.
Приложение
Ключевые термины, использованные при поиске, охватывали:
квантовые компьютеры и вычисления: а) quantum hardware: qubit, quantum gate, quantum register, quantum bus, quantum chip, quantum circuit, quantum integrate circuit, quantum memory, quantum RAM, quantum processor, quantum device, quantum computer, quantum-mechanical computer, quantum NISQ computer, quantum* supercomputer, quantum computing, quantum parallel computing, quantum server и др.; б) quantum software: quantum language, quantum program, quantum algorithm, quantum-inspired algorithm, quantum annealing, quantum optimization, Shor’s algorithm, Grover’s search algorithm, quantum eigensolver, quantum machine learning, quantum random walk, quantum game и др.);
квантовую связь и криптографию: quantum information, quantum Fisher information, quantum mutual information, Holevo bound, quantum communication, quantum channel, quantum network, quantum transmission, quantum teleportation, quantum coding, quantum encoder, quantum decoder, quantum error correction, quantum cryptography, quantum key distribution, BB84 protocol, quantum bit commitment, quantum secret sharing, quantum signature, quantum fingerprint, quantum coin toss, quantum random number generator, quantum oracle, quantum repeater, quantum authentication, quantum encryption, quantum attack, quantum code breaking, и др.;
квантовую метрологию и зондирование: quantum metrology, quantum precision measurement, quantum sensor, quantum sensing, quantum detector, quantum detecting, quantum magnetometer, quantum gyroscope, quantum accelerometer, quantum clock, quantum radar и др.
АВТОР
Терехов Александр Иванович, к. ф.‑ м. н., ведущий научный сотрудник, ФГБУН Центральный экономико-математический институт РАН (ЦЭМИ РАН), Москва, Россия.
ORCID: 0000-0003-0266-1606.
А. И. Терехов
ЦЭМИ РАН, Москва, Россия
Рассмотрены исторические вехи и выполнен библиометрический анализ развития исследований в области квантовой обработки информации в период 1990–2020 годов. В центре внимания глобальный выход научных публикаций, продуктивность отдельных стран и организаций, международная научная кооперация. С помощью библиометрических индикаторов показаны: динамизм развития области, высокая степень концентрации исследований и международных научных связей, участие в них, наряду с университетами и академическими организациями, крупных корпораций, особенно из Японии и военно-исследовательских структур, в первую очередь, из США. Для России характерны: высокая концентрация исследований в столичных агломерациях и их существенная интернационализация; ведущий вклад РАН и растущая роль университетов в развитии научной базы квантовых технологий, пока еще слабая вовлеченность в исследования российского коммерческого сектора. Источниками информации для анализа послужили библиографические базы данных Web of Science Core Collection и SCOPUS.
Ключевые слова: квантовая обработка информации; научная публикация; база данных; библиометрический анализ
Статья получена: 29.02.2024
Статья принята: 29.03.2024
Введение
В последнее время все чаще говорят о второй квантовой революции, которая, благодаря таким квантовым явлениям, как суперпозиция и запутанность, открывает возможности для квантовой обработки информации (КОИ). Считается, что базовые технологии КОИ – квантовые компьютеры и вычисления, квантовая связь и криптография, квантовое зондирование и метрология – совместно с другими революционными технологиями радикально изменят научно-технологический базис развития и социально-экономический облик мира в 21‑м веке.
К началу 1980‑х годов идея квантовых вычислений витала в воздухе. Среди ее пионеров были американские физики П. Бениофф и Р. Фейнман, советский математик Ю. И. Манин, однако, кристаллизацию этой идеи связывают с выпуском «Международного журнала теоретической физики» за 1982 год, опубликовавшим доклады конференции «Физика вычислений», проведенную годом ранее в США [1]. В своей статье Р. Фейнман высказал тезис, ставший знаменательным для квантовых вычислений: квантовую систему из N частиц нельзя смоделировать на классическом компьютере, поскольку его ресурсы не растут экспоненциально с ростом N; такое моделирование возможно с помощью компьютера нового типа – «квантового компьютера» [2]. Более десяти лет квантовые компьютеры оставались для ученых лишь интеллектуальным увлечением, пока два американских математика не показали: разложение целого числа на простые множители может быть эффективно выполнено на гипотетическом квантовом компьютере (П. Шор в 1994 году); такой компьютер способен ускорить проведение поиска в неструктурированном поисковом пространстве (Л. Гровер в 1996 году). Эти два практических применения, в особенности, первое, ставящее под угрозу существующие системы криптографии, подстегнули интерес к КОИ, превратив ее в отдельную широко признанную область научных исследований [3]. Этому способствовал еще целый ряд обстоятельств: в начале 1990‑х годов стало понятно, что совершенствование традиционных компьютеров, согласно закону Мура, скоро достигнет квантового предела и потребует радикальных технологических изменений; развитие физики, в свою очередь, привело к появлению технологии захваченных ионов, усовершенствованных оптических резонаторов, квантовых точек и других достижений, позволяющих задуматься о создании работоспособных устройств квантовой логики и т. д. [4].
К началу 2000‑х годов идея квантового компьютера стала обретать черты практической достижимости [5], а разработка все новых квантовых алгоритмов [6] сместило центр внимания квантовых вычислений на борьбу за «квантовое превосходство» для стимулирования новых достижений в разных областях: от химии, материаловедения, фармацевтики до перспективного производства, оптимизации трафика, банковского дела, искусственного интеллекта, кибербезопасности, оборонной сферы и т. д. [7–10]. Хотя формальное превосходство квантового компьютера над классическим было продемонстрировано в 2019 году в США и в 2020 году в Китае, вопрос о полезном «квантовом превосходстве» пока остается открытым. Появление полезного отказоустойчивого квантового компьютера – главной цели мировой «квантовой гонки» – по оценкам экспертов, можно ожидать лишь через 10–15 лет [11], однако, уже имеющиеся «шумные» квантовые компьютеры промежуточного масштаба способны решать отдельные практические задачи быстрее классических собратьев [12].
Многообещающие рыночные возможности, а также потенциальные угрозы безопасности привели к выработке политик и программ в области КОИ как отдельными странами, так и их союзами и блоками. Создаваемые в разных странах квантовые экосистемы имеют свои особенности. Например, в США и Китае, наряду с государством, высока роль цифровых гигантов (IBM, Google, Microsoft или Alibaba и Baidu); в США значительно больше, чем в Китае, стартапов, а в Китае более сильно централизованное начало. Не менее 14 стран-членов ЕС имеют национальные квантовые инициативы, в дополнение к которым в 2018 г. принята общеевропейская флагманская инициатива. Ввиду отсутствия цифровых гигантов в ЕС практикуются научно-индустриальные объединения, например, консорциум компаний Airbus, Leonardo, Orange и научных институтов для изучения проекта будущей европейской сети квантовой связи. По аналогии с консорциумом развития квантовой экономики в США создан Европейский консорциум квантовой индустрии. Для стран ЕС не характерна, как для США и Китая, значительная вовлеченность в исследования по КОИ военных.
Хотя Российский квантовый центр (РКЦ) был создан еще в 2011 году, о стратегической важности («сквозных») квантовых технологий Президент РФ В. В. Путин заявил в 2016 году в послании Федеральному Собранию [13]. В 2019 году была утверждена дорожная карта (ДК) развития квантовых технологий с пятилетним бюджетом 51,1 млрд рублей. Правительство РФ и Госкорпорации – Росатом, РЖД и Ростех – подписали соглашения о намерениях по трем направлениям КОИ: квантовые вычисления, квантовые коммуникации и квантовые сенсоры, соответственно [14]. Две из трех разработанных ДК – Росатома и РЖД – были утверждены в 2020 году, а под эгидой Росатома создана Национальная квантовая лаборатория – научно-технологический консорциум, ставший основой отечественной квантовой экосистемы [8]. Ввиду важности квантовых технологий для технологического суверенитета в конце 2022 года на их развитие из бюджета РФ выделено не менее 100 млрд рублей, а квантовые вычисления и коммуникации сохранили позиции в списке важных «сквозных технологий» при его пересмотре в 2023 году из-за западных санкций. У нас, как и в ЕС, отсутствуют цифровые гиганты, участие военных в работах по КОИ пока тоже невысоко, а наложенные санкции будут сильно ограничивать возможности международной научной кооперации.
Несмотря на впечатляющие экономические перспективы и коммерческие прогнозы, КОИ в большой мере остается наукой. Только дальнейшие научные исследования способны разрешить все еще значительные неопределенности технологического и рыночного характера, поэтому анализ их развития, в том числе с применением библиометрии представляет интерес. При этом нужно учитывать специфику КОИ. Еще до опубликования П. Шором его знаменитой статьи с ним побеседовал сотрудник Агентства национальной безопасности (АНБ) США, который позже написал: «Такая способность к дешифровке могла бы сделать военные возможности проигравшего почти бесполезными, а его экономику разрушить» [15]. Из документов, обнародованных Э. Сноуденом в 2013 году, выяснилось, что АНБ США выполняло секретную программу создания «криптологически полезного квантового компьютера» для взлома Интернета [16]. Естественно, что интересы военных и спецслужб привели к закрытому характеру части исследований по КОИ, однако, это не делает бесполезным библиометрический анализ академической (открытой) части литературы.
Исходные данные
Развитие КОИ и ее подобластей уже было предметом библиометрического анализа в ряде работ [17–19]. Отталкиваясь от них, в настоящей статье внесены улучшения в методы поиска релевантных публикаций, направленные на более широкий охват и углубленную детализацию основных тематик КОИ. Построенный поисковый запрос включал более 250 ключевых терминов, которые охватывали три основные составляющие КОИ (см. Приложение). В качестве основного источника информации использованы две БД из коллекции Web of Science Core Collection (WCC): Science Citation Index Expanded (БД SCIE) и Conference Proceedings Citation Index – Science (БД CPCI-S), дополнительного – БД SCOPUS (SCO). Во всех случаях использован «title – abstract – key» – поиск. Исходная выборка из БД SCIE и CPCI-S (на момент обследования в марте 2022 г.) включала 80962 релевантных для КОИ документа (типа: article, review, proceedings paper, letter) за период 1990–2020 гг., которые послужили основой для библиометрических расчетов. Данные из БД SCO использовались в ряде случаев для дополнительных сравнений.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Далее, приведены основные результаты анализа в соответствии с поставленными задачами.
Библиометрические показатели формирования научной базы КОИ
Несмотря на разницу в составе и масштабе охватываемых документов, библиометрический расчет по БД WCC и SCO показывает схожую динамику развития мировых исследований по КОИ (сплошные линии на рис. 1): быстрый рост на всем интервале с выраженным ускорением в периоды 1990–2003 и, особенно, 2015–2020 годов. Некоторое замедление роста публикационной активности между 2003 и 2015 годами. отчасти проясняет динамика относительных показателей (пунктирные линии на рис. 1). Исследования по КОИ являются частью изучения квантового мира, поэтому доля КОИ – публикаций в общем потоке «квантовых» публикаций (выделяемых нами с помощью общих терминов {quant} и {quantum}) могла бы отражать динамику интереса глобального сообщества профильных ученых к тематике КОИ. Ускоренное расширение области на начальном этапе (до 2003 года), очевидно, исходило из взрывного интереса профильных ученых к новой тематике, на серединном же этапе (2003–2015 годы) расширение замедлилось, вероятно из-за внутренней стабилизации академического интереса к КОИ (рис. 1), причиной чего мог стать недостаток прорывных идей, практических результатов, целевого финансирования и т. д. Однако «замедление» могло быть связано и с уходом части работ из открытого сегмента. Наиболее быстрый рост начался с 2015 года (рис. 1), когда к исследованиям подключились крупные игроки на технологическом рынке, а правительства большинства технологически развитых стран приняли долгосрочные программы и приступили к созданию необходимой инфраструктуры для развития КОИ.
Долевой показатель заметно варьируется по странам. Согласно рис. 2, его наибольшее отклонение от общемирового тренда характерно для Китая и России. «Спурт» Китая после 1997 года привел его к лидерству по доле КОИ в общем количестве «квантовых» публикаций, достигшей в 2008 году 21,2%. Последовавшее снижение и стабилизацию этой доли (в районе 15%) на фоне растущей государственной поддержки области логично было бы связать с усилением режима секретности китайских исследований. Россия, занимающая по количеству «квантовых» публикаций 6‑е место в мире, значительно уступает ему в интересе профильных ученых к проблематике КОИ, хотя с 2013 г. в связи с созданием РКЦ и последующим принятием программных документов этот интерес стал быстро повышаться. Заметным отличием соответствующей кривой для США от общемирового тренда является опережающий рост с 2015 года, который стимулировала национальная приоритезация КОИ. Немецкие профильные ученые поступательно наращивали свой интерес к проблематике КОИ, выйдя на общемировой тренд лишь к концу периода.
В экономико-технологических преобразованиях квантовые технологии будут взаимодействовать с другими революционными технологиями, прежде всего с нанотехнологиями, которые уже признаны мегатрендом 21‑го века, приносящим множество прорывных инноваций [20]. Хотя соотношение НАНО- и КОИ-публикаций за период 2000–2022 годов существенно в пользу первых (рис. 3), по среднегодовому темпу роста между 2015 и 2022 годами они уступают вторым: 4,8% против 12,3%. Заметно ускорился рост числа тематически пересекающихся публикаций, при этом влияние в большей степени направлено от НАНО к КОИ. На масштабе длин атомов и молекул квантовая механика всегда играет роль, однако, зачастую она не лежит в основе исследования. Напротив, в нанонауке есть области, которые явно используют наносистемы для изучения квантово-механических эффектов и применения их в качестве ресурса в квантовых технологиях (например, полупроводниковые квантовые точки). Как следствие, прогресс в нанонауке способствует лучшей реализации этого ресурса [21].
Основные мировые участники исследований (страны и организации)
В исследованиях по КОИ, хотя бы минимально, участвовали около 120 стран, показательно, что в первую десятку по продуктивности входят все промышленно развитые страны из группы G7, а также Китай, Австралия и Россия (рис. 4). Для производства научного знания характерна высокая степень концентрации, когда на долю первой десяткой стран приходится около 80% публикаций, а публикационный вклад двух лидеров (США и Китая совокупно) вырос с 40 в 2004 до 53% в 2020 году (рис. 5). Первая десятка академических, правительственных и университетских организаций мира, внесших наибольший вклад в исследования по КОИ, представлена на рис 6. О значительных коммерческих ожиданиях говорит также участие в исследованиях крупных корпораций и компаний, в основном, из США и Японии: Nippon Telegraph Telephone Corp. (Япония; 622 публикации); International Business Machines IBM (США; 615); Microsoft Corp. (США; 296); Toshiba Corporation (Япония; 259); Hewlett-Packard (США; 240); Nippon Electric Corp. (Япония; 259); Google Inc. (США; 165); AT&T Inc. (США; 164); Raytheon Technologies Corp. (США; 116); Intel Corp. (США; 99). На долю корпоративного сектора совокупно приходится более 4.2% мировых публикаций по КОИ, в США около 10, в Японии – около 20%. Если в США по количеству публикаций в области квантовой криптографии лидирует МТИ, то в Японии – «Nippon Telegraph Telephone Corporation». Даже в открытой части американские исследования по КОИ заметно милитаризованы, например: на долю МО США вместе с военно-исследовательскими структурами (лаборатории видов вооруженных сил или Командование исследований, разработок и инженерии армии США) пришлось 3,4, а на долю МЭ США вместе с национальными лабораториями – 8,4% публикационного выхода страны. Свою лепту вносят военно-промышленные компании: Raytheon Technologies Corp., Northrop Grumman Corp. и др. Кроме того, в спонсировании более 9% публикаций за 2008–2020 годы участвовали DARPA (Агентство передовых оборонных исследовательских проектов) или IARPA (Агентство передовых исследований в сфере разведки). Тем не менее, основной вклад в исследования все же за университетами, в первую очередь, ведущими: помимо лидеров – системы Калифорнийского университета и МТИ (рис. 6), 11,6% национальных публикаций на счету восьми престижных университетов из «Лиги плюща». Несмотря на большой вклад Академий наук, основными участниками публикуемых исследований по КОИ в России и Китае также выступают университеты. Во Франции же лидирует Национальный центр научных исследований (69% всех публикаций по КОИ).
Международная научная кооперация и соперничество
Важным фактором развития исследований в области КОИ стала международная научная кооперация, рост которой отражает увеличение доли мировых КОИ – публикаций, выполняемых учеными из нескольких стран: с 21,5% в 2000 году до 30,0% в 2010 и 33,8% – в 2020 году. Согласно рис. 7, процент международного соавторства для стран с количеством от 10‑ти КОИ – публикаций имеет диапазон концентрации: 65–75%. Из первой десятки стран сюда попадают Канада и Германия (табл. 1). Несколько меньший, но достаточно высокий показатель кооперации у Австралии и других европейских стран. В относительно умеренной степени сотрудничают с другими странами США, Россия и Япония, наиболее самодостаточен Китай. Интересно, что большая конфиденциальность работ по криптографии не для всех стран сопровождается снижением международной научной кооперации; тем не менее, в случаях России и Китая такое снижение выглядит значительным (табл. 1).
Приведенные данные показывают, что быстрое развитие исследований в области КОИ сопровождалось возрастающей долей производства нового научного знания на международном уровне. К сожалению, общая польза от международной научной кооперации все более приносится в жертву политике. Появление квантовых технологий совпало с гонкой США и Китая за глобальное технологическое превосходство, причем США ставят своей целью в ключевых технологиях сохранять уже не просто относительные преимущества, а как можно больший отрыв от конкурентов. Однако явные успехи Китая, особенно в области квантовой связи и криптографии (рис. 8) заставляют США прибегать к санкционной политике. Под другим предлогом в 2022 году США уже ввели беспрецедентные санкции против российской науки, включая экспортный контроль за поставками специальных холодильников, квантового программного обеспечения и облачных сервисов в Россию. В настоящее время обсуждается аналогичный экспортный контроль против Китая. Насаждается и «блоковый» принцип: так, исходя из геополитических интересов, участники альянса AUKUS (Австралии, Великобритании, США) заключили квантовое соглашение для ускорения квантовых возможностей в позиционировании и навигации. Очевидно, такого рода действия не могут способствовать общему прогрессу исследований. Движение России в мировом рейтинге продуктивности в области КОИ показательно: с 7‑го места в 2000 она опустилась на 17‑е к 2013 г., после чего начался подъем и возвращение в Топ‑10 стран в 2018 году; в 2020 году она уступала Франции (9‑е место) всего 15 публикаций. Заметную роль в возвращении страны в лидирующую десятку сыграла международная научная кооперация. За 30‑летний период Россия имела кооперационные связи с 65 странами, причем в списке ее партнеров первые семь – это члены G7. Вместе с ними, а также Швейцарией и Швецией, Россия входила в наиболее сплоченное «ядро» сети международных соавторских связей в КОИ в 2000–2017 годах [22]. Международное соавторство играло важную роль и для повышения видимости отечественных КОИ–публикаций; так, по нашим расчетам, из 168 российских публикаций за 2000–2019 годы, вошедших в состав 10% наиболее цитируемых, ~92% имели соавторов из других стран. Таким образом, разрушение внешних научных связей из-за введенных санкций может негативно повлиять на продуктивность и качество российских исследований. Коль скоро нам предстоит вынужденная автономизация исследований, рассмотрим подробнее их внутреннюю организацию и структуру.
Внутрироссийский исследовательский ландшафт в области КОИ
Согласно табл. 2, основными отечественными участниками исследований являются НИИ РАН, университеты, а также РКЦ. Хотя в 2014 годы университеты обошли РАН по совокупному публикационному вкладу в области КОИ, это было достигнуто преимущественно за счет международных и внутренних межсекторальных соавторских связей; собственный вклад университетов при этом снизился с 50% в 1993–2006 годах до 25% в 2007–2020 годах. Кроме того, КОИ-публикации с участием РАН в среднем более цитируемы, чем те, в которых участвуют университеты (табл. 2, столбец 5). То есть в КОИ отечественный университетский сектор пока не стал самостоятельным драйвером исследований, как предполагалось университето-центристской политикой, проводимой с 2006 года. Можно отметить ФТИ РАН и ИТМО как эффективных производителей высоко цитируемых публикаций. Однако наибольшая пропорция таких публикаций (15,1%) все же у Института теоретической физики им. Л. Д. Ландау РАН. Его сотрудники (в том числе, работающие за рубежом) опубликовали 13 статей, процитированных более 100, две – более 1000 раз; выходцу из этого института А. Ю. Китаеву принадлежит самая цитируемая российская публикация, посвященная отказоустойчивым квантовым вычислениям с помощью энионов. Наследие советских времен – наукограды (даже без классических академгородков типа Новосибирского) внесли заметный вклад (~25%) в публикационный выход страны.
Публикационная активность крупных отечественных корпораций пока невелика: 53 публикации по КОИ выполнил «Росатом» (в основном силами ФГУП ВНИИ автоматики им. Н. Л. Духова), 2 – «РЖД». Такие профильные компании, как «Яндекс», «Сбер», «Мэйл.ру», «Лаборатория Касперского», не имеют публикаций. Наукоемкий коммерческий сектор в КОИ формируется пока за счет молодых стартапов (QRate, Quanttelecom LLC, QAPP, DEPHAN и др.), выращиваемых, преимущественно, в РКЦ. В целом, вклад корпоративно-коммерческого сектора страны составил около 3,4% всех отечественных публикаций, что меньше среднемирового показателя. Участниками примерно 1,5% российских публикаций были зарубежные корпорации.
России традиционно присуща высокая степень концентрации научного потенциала, особенно в появляющихся высокотехнологичных областях, что подтверждают табл. 3 и рис. 9. За весь период научные учреждения одной Москвы произвели более половины отечественных КОИ-публикаций. Согласно рис. 9, заметного тренда на географическую деконцентрацию исследований в области КОИ (как и в целом) не наблюдается: вклад «Центра», за небольшим исключением, колеблется между 70 и 80, а «Остальной России» – 20 и 30%. Для преодоления концентрации нужно активнее развивать научные связи «Центра» с «Остальной Россией», важную роль может также сыграть создаваемый в Сарове Национальный центр физики и математики, в научную повестку которого входят и квантовые технологии.
ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Возникнув в 1980‑е годы как визионерская идея, профессионально заинтересовавшая лишь немногих ученых, в начале 1990‑х гг. КОИ превратилась уже в отдельную широко признанную область научных исследований, для анализа развития которой может быть полезна библиометрия. Выполненный библиометрический анализ, в частности показал:
быстрый рост научной базы области, хотя высокая концентрация исследований на уровне ведущих стран и научных организаций мира говорит пока еще о ранней стадии ее развития. Тем не менее, большие экономические ожидания подтверждает участие в исследованиях крупных корпораций, особенно из Японии, а стремление получить в перспективе военно-стратегические преимущества – участие военно-исследовательских структур, в первую очередь, из США;
КОИ – область международного сотрудничества, поскольку для любой страны сложно продвигать квантовые технологии самостоятельно, особенно на ранней стадии развития.
Так, более трети мировых публикаций в 2020 г. были выполнены международными командами ученых. Даже в такой чувствительной подобласти, как квантовая криптография, доля таких публикаций в 2020 году составила 27,5%. Отсюда политизация исследований, сопровождающаяся санкциями, мерами экспортного контроля и т. п., может серьезно затормозить их развитие. Около 29% российских КОИ-публикаций за 2016–2020 годы были выполнены в соавторстве с кем-либо из четверки ведущих западных стран: США, Германии, Великобритании, Франция. Разрыв этих связей нанесет ощутимый удар по отечественным исследованиям, а заместить их на восточном направлении будет непросто;
наряду с интернационализацией, есть еще ряд характерных для России черт в развитии исследований по КОИ:
значительная концентрация исследований в «Центре», где расположены наиболее сильные отечественные НИИ, университеты и РКЦ;
ведущая роль РАН, которая входит в первую десятку мировых организаций по продуктивности в области КОИ, а внутри страны превосходит университетский сектор по вкладу в мировой Топ‑10% высоко цитируемых публикаций. Кроме того, ученые из РАН – (со)авторы самых высоко цитируемых (более 1000 ссылок) отечественных публикаций;
на фоне активного собственного участия в исследованиях крупных зарубежных компаний отечественный корпоративно-коммерческий сектор представлен пока довольно слабо (возможно, в силу закрытости работ), что диссонирует с растущими ожиданиями глобальных коммерческих выгод от квантовых технологий.
Считается, что квантовые технологии будут столь же революционными в 21 веке, как использование электричества в 19 веке, но на вопрос, когда и как это произойдет, пока нет определенного ответа. На переднем крае новой квантовой революции – квантовые вычисления, обладающие потенциальной способностью экспоненциально увеличивать вычислительную мощность. Благодаря этому они обещают ускорить поток научных открытий и технологических инноваций во многих областях, в том числе через укрепление других технологий широкого применения, таких как искусственный интеллект. Однако сказанное относится к идеальным отказоустойчивым квантовым компьютерам (с миллионами кубитов), появление которых ожидается, не ранее чем через 10–15 лет.
Доступные в настоящее время «шумные» квантовые компьютеры промежуточного масштаба (с десятками или сотнями кубитов) используются, в основном, для вычислительной поддержки при моделировании новых продуктов, материалов и лекарств. На их счету также две упомянутые демонстрации формального превосходства над классическими собратьями (в 2019 и 2020 года.). Однако в 2023 году компания IBM сообщила, что ее 127‑кубитный «шумный» компьютер превзошел современные суперкомпьютеры при решении вполне практической задачи: моделирование динамики спинов электронов в материале для предсказания таких его свойств, как намагниченность [12]. Этот результат ставит вопрос о возможном достижении полезного «квантового превосходства» еще в эпоху «шумных» квантовых компьютеров до того, как будут реализованы полностью отказоустойчивые квантовые вычисления. Как бы то ни было, еще предстоит провести значительный объем исследований и экспериментов, чтобы реализовать весь потенциал квантовых вычислений. Несколько незаслуженно в тени квантовых вычислений находятся квантовое зондирование и связь, которые являются технологически более зрелыми и уже предлагают коммерчески доступные устройства, такие как магнитометры или устройства квантового распределения ключей [23]. Однако и здесь еще много сугубо исследовательских тем: многокубитные датчики с расширенными возможностями, квантовые повторители, многостороннее квантовое разделение секрета и т. д. То есть квантовые технологии второй волны все еще область исследований, для анализа динамики и структуры которой была бы и в дальнейшем полезна библиометрия, опирающаяся на более широкий набор актуализированных данных. К сожалению, настоящий анализ является для России своеобразной фиксацией статус-кво накануне ее отключения от мировых БД WCC и SCO.
REFERENCES
Editorial. 40 years of quantum computing. Nature Reviews Physics. 2022; 4(1). https://doi.org/10.1038/s42254-021-00410-6.
Feynman R. P. Simulating Physics with Computers. International Journal of Theoretical Physics. 1982; 21(6/7): 467–488.
Nil’sen M., CHang I. Kvantovye vychisleniya i kvantovaya informaciya. – M.: Mir. 2006. 824 p. (In Russ.)
Нильсен М., Чанг И. Квантовые вычисления и квантовая информация. – М.: Мир. 2006. 824 с.
Quantum Information Science. An Emerging Field of Interdisciplinary Research and Education in Science and Engineering. Report of the NSF Workshop. US, Virginia. 1999. URL: https://www.nsf.gov/pubs/2000/nsf00101/nsf00101.pdf.
DiVincenzo, D. P. The physical implementation of quantum computation. Fortschritte der Physik – Progress of Physics. 2000; 48(9–11): 771–783. https://doi.org/10.1002/1521-3978(200009)48:9/113.0.CO;2-E.
Montanaro A. Quantum algorithms: an overview. npj Quantum Information. 2016; 2: Article number 15023. https://doi.org/10.1038/npjqi.2015.23.
Bova F., Goldfarb A., Melko R. G. Commercial applications of quantum computing. EPJ Quantum Technology. 2021; 8(2): 13 p. https://doi.org/10.1140/epjqt/s40507-021-00091-1.
Kvantovye tekhnologii dlya gosudarstva i biznesa: nastoyashchee i budushchee. – M.: Fond Roskongress. 2023. 28 p.
Квантовые технологии для государства и бизнеса: настоящее и будущее. – М.: Фонд Росконгресс. 2023. 28 с.
Najafi K., Yelin S. F., Gao X. The Development of Quantum Machine Learning. Harvard Data Science Review. 2022; 4(1): 1–13.
Krelina M. Quantum technology for military applications. EPJ Quantum Technology. 2021; 8(1): Article number 24. https://doi.org/10.1140/epjqt/s40507-021-00113‑y.
Groenland K. The professional’s guide to Quantum Technology. Part 5 – Timelines: When can we expect a useful Quantum Computer? 12 May 2023. URL: https://www.quantum.amsterdam/part‑5‑when-can-we-expect-a-useful-quantum-computer-a-closer-look-at-timelines/.
Choi C. Q. IBM: Quantum computers are already doing heavy lifting. 22 Jun 2023. URL: https://spectrum.ieee.org/practical-quantum-computing-ibm.
Poslanie Prezidenta RF Federal’nomu Sobraniyu ot 01.12.2016. Moskva. 01.12.2016. URL: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_207978/. (In Russ.)
Послание Президента РФ Федеральному Собранию от 01.12.2016. Москва. 01.12.2016. URL: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_207978/.
Fedorov A. K. Kvantovye tekhnologii: ot nauchnyh otkrytij k novym prilozheniyam. Fotonika. 2019; 13(6): 574–583. DOI: 10.22184/1993‑7296.FRos.2019.13.6.574.583. (In Russ.)
Федоров А. К. Квантовые технологии: от научных открытий к новым приложениям. Фотоника. 2019; 13(6): 574–583. DOI: 10.22184/1993‑7296.FRos.2019.13.6.574.583.
Witt S. The World-Changing Race to Develop the Quantum Computer. The New Yorker. Annals of Technology. 19 Dec 2022. URL: https://www.newyorker.com/magazine/2022/12/19/the-world-changing-race-to-develop-the-quantum-computer.
Cartwright J. NSA keys into quantum computing. 06 Feb 2014. URL: https://physicsworld.com/a/nsa-keys-into-quantum-computing/.
Wang J., Shen L., Zhou W. A bibliometric analysis of quantum computing literature: mapping and evidences from Scopus. Technology Analysis & Strategic Management. 2021; 33(11): 1347–1363. DOI: 10.1080/09537325.2021.1963429.
Scheidsteger T., Haunschild R., Bornmann L., Christoph E. Bibliometric analysis in the field of quantum technology. Quantum Reports. 2021; 3(3): 549–575. https://doi.org/10.3390/quantum3030036.
Terekhov A. I. Kvantovaya obrabotka informacii: bibliometricheskij vzglyad. Prikladnaya informatika. 2019; 14(3): 55–65. DOI: 10.24411/19938314201910015. (In Russ.)
Терехов А. И. Квантовая обработка информации: библиометрический взгляд. Прикладная информатика. 2019; 14(3): 55–65. DOI: 10.24411/19938314201910015.
Bhushan B. Introduction to Nanotechnology. In: Springer Handbook of Nanotechnology. – Berlin, Heidelberg: Springer, 2017. P. 1–19.
Editorial. Quantum nanoscience. Nature Nanotechnology. 2021; 16: 1293. https://doi.org/10.1038/s41565-021-01058-0.
Terekhov A. I. Pozicionirovanie Rossii v poyavlyayushchihsya vysokotekhnologichnyh napravleniyah. Vestnik RAN. 2022; 92(1): 74–85. DOI: 10.31857/S0869587322010091. (In Russ.)
Терехов А. И. Позиционирование России в появляющихся высокотехнологичных направлениях. Вестник РАН. 2022; 92(1): 74–85. DOI: 10.31857/S0869587322010091.
The quantum state of affairs. Nature Physics. 2023; 19: 605. https://doi.org/10.1038/s41567–023–02072‑w.
Приложение
Ключевые термины, использованные при поиске, охватывали:
квантовые компьютеры и вычисления: а) quantum hardware: qubit, quantum gate, quantum register, quantum bus, quantum chip, quantum circuit, quantum integrate circuit, quantum memory, quantum RAM, quantum processor, quantum device, quantum computer, quantum-mechanical computer, quantum NISQ computer, quantum* supercomputer, quantum computing, quantum parallel computing, quantum server и др.; б) quantum software: quantum language, quantum program, quantum algorithm, quantum-inspired algorithm, quantum annealing, quantum optimization, Shor’s algorithm, Grover’s search algorithm, quantum eigensolver, quantum machine learning, quantum random walk, quantum game и др.);
квантовую связь и криптографию: quantum information, quantum Fisher information, quantum mutual information, Holevo bound, quantum communication, quantum channel, quantum network, quantum transmission, quantum teleportation, quantum coding, quantum encoder, quantum decoder, quantum error correction, quantum cryptography, quantum key distribution, BB84 protocol, quantum bit commitment, quantum secret sharing, quantum signature, quantum fingerprint, quantum coin toss, quantum random number generator, quantum oracle, quantum repeater, quantum authentication, quantum encryption, quantum attack, quantum code breaking, и др.;
квантовую метрологию и зондирование: quantum metrology, quantum precision measurement, quantum sensor, quantum sensing, quantum detector, quantum detecting, quantum magnetometer, quantum gyroscope, quantum accelerometer, quantum clock, quantum radar и др.
АВТОР
Терехов Александр Иванович, к. ф.‑ м. н., ведущий научный сотрудник, ФГБУН Центральный экономико-математический институт РАН (ЦЭМИ РАН), Москва, Россия.
ORCID: 0000-0003-0266-1606.
Отзывы читателей
