Квантовые технологии — это перспективная область физики, которая занимается изучением квантовой механики и разработкой инноваций на основе кванта — неделимой частицы, атома или фотона.
Технологии, основанные на принципах квантовой механики, уже используются для разработки инновационных решений, которые выведут науку на новый — квантовый — уровень.
В ХХ веке первая квантовая революция принесла миру транзисторы, лазеры, интегральные схемы и мобильную связь. Вторая волна практического применения квантовых технологий уже близко и включает несколько направлений. Среди них наиболее перспективными для бизнеса являются квантовые вычисления (компьютеры), защищенные квантовые коммуникации и квантовые сенсоры.
Инновационные компьютеры на базе квантовых технологий
Квантовый компьютер — это устройство, которое работает на основе преобразования квантовых состояний индивидуальных частиц с последующим измерением результата. Он использует не классические алгоритмы, а квантовые.
В отличие от традиционных ЭВМ, где наименьшей единицей хранения информации является бит, который может принимать значение либо 0, либо 1, в квантовом компьютере эту функцию выполняет кубит (от quantum bit, квантовый бит). Он может находиться в суперпозиции, то есть одновременно в двух состояниях. Это позволяет квантовому компьютеру обрабатывать многовариантные состояния, в то время как обычный компьютер просчитывает каждый вариант отдельно.
В перспективе квантовые компьютеры могут решать сложнейшие вычислительные задачи быстрее и точнее обычных компьютеров. Например, они могут моделировать воздействие на организм новых лекарств на молекулярном уровне, обрабатывать очень большие данные, моделировать различные природные и технические процессы и проектировать сверхлегкие и сверхпрочные материалы.
Квантовые вычисления будут применяться в самых разных сферах — везде, где обычные компьютеры будут работать медленнее и выдавать больше ошибок. Например, для управления движением транспортных средств (воздушных, морских, наземных), прогнозирования погоды и предупреждения чрезвычайных ситуаций.
Один из примеров квантового компьютера нового поколения — это устройства канадской компании D-wave Systems. В линейке устройств D-wave Systems есть системы мощностью от 16 до 2 000 кубит. Такие компьютеры уже закупили NASA, Volkswagen и другие организации для исследовательских целей.
Квантовые технологии и телекоммуникации
Интерес к квантовым коммуникациям связан с развитием big data и необходимостью обрабатывать и передавать большие данные с высокой скоростью и защищенным способом. Согласно прогнозам IDC, к 2020 году почти 40% данных будут обрабатываться с использованием облачных сервисов, что увеличит потребность в квантовых коммуникациях и шифровании.
Современные средства шифрования используют ключи, секретность которых основана на том, что классические компьютеры не могут решить задачу о разложении большого числа на простые множители. Однако для квантовых компьютеров Питер Шор в 1994 году придумал квантовый алгоритм, который позволяет решать эту задачу быстрее. Это может поставить под угрозу все защищенные каналы связи и электронные подписи в мире.
Квантовая криптография может применяться для защиты данных в коммуникационных сетях различного назначения. Она будет особенно удобна для владельцев ЦОД, банков, телекоммуникационных компаний и интернет провайдеров, так как новые ключи будут генерироваться в автоматическим режиме.
Передача информации «квантовым» способом осуществляется с помощью коммуникационных сетей. Например, в Китае построена квантовая коммуникационная сеть Пекин-Шанхай протяженностью 2000 км. Для передачи информации используют протоны, которые невозможно разделить и клонировать их квантовое состояние. Это обеспечивает высокий уровень защиты от прослушивания линии.
Квантовые сенсоры: компактные и мощные датчики
Квантовые сенсоры — это высокочувствительные приборы, которые работают на основе регистрации индивидуальных квантовых эффектов. Примерами таких сенсоров являются лавинный однофотонный детектор и квантовый датчик случайных чисел.
На практике часто используются коллективные квантовые эффекты, которые основаны на участии большого числа квантовых объектов: электронов, атомных ядер и других. Они используются в транзисторах, диодах и микросхемах. Однако разработка приборов, которые улавливают изменения в отдельных квантовых системах на уровне микромира, намного сложнее.
Квантовые сенсоры невероятно миниатюрные и чувствительные. Они имеют большие перспективы в медицине и биологии для анализа генома, диагностики заболеваний и исследования процессов в теле человека. Кроме того, они будут применяться в других областях: навигация (космическая отрасль, беспилотный транспорт), оборона и безопасность, геологоразведочные работы и технологии интернета вещей.
Интересным примером коммерциализации этих приборов является квантовый гравиметр, разработанный учеными США, Канады и Германии. Он поможет в поиске нефти и других полезных ископаемых. Другим примером является счетчик фотонов, разработанный под руководством Григория Гольцмана из Московского педагогического государственного университета (МПГУ). Его использует РКЦ для своих разработок в сфере квантовой криптографии.