Когда люди слышат о квантовых технологиях, им кажется, что это что-то невероятное. На самом деле результат первого прорыва в квантовой области есть почти у каждого. Но многие не могут даже предположить, что это может быть, а это почти вся электроника, без которой современный человек уже не может представить свою жизнь, например, плоские телевизоры, всем известные смартфоны и быстрый интернет. Несмотря на то, что квантовые технологии определяют развитие почти всех сфер жизни общества, а, следовательно, и наше будущее, о них мало кто знает.
Квантовые технологии — совокупность методов, использующих различные явления квантовой физики. Квантовые технологии объединяют следующие основные сферы: квантовые вычисления, квантовые коммуникации, квантовую сенсорику.
Квантовые компьютеры и квантовые симуляторы могут решать вычислительные задачи, «неподъемные» для классических суперкомпьютеров: моделирование сложных физических, химических и биологических систем (например, новых материалов и лекарств), криптоанализ и задачи машинного обучения. Квантовое исчисление основано на кубитах, - сокращение от «квантовый бит». В то время как классический бит может принять значение либо 0, либо 1, кубит является одновременно и 0, и 1. Это возможно благодаря свойству квантовой механики-суперпозиция, которое позволяет кубитам существовать во всех возможных состояниях в одно и тоже время, пока система не подвергнется изменению. Следовательно, так как квантовый кубит находится сразу в состоянии и нуля, и единицы, а значит, он сможет решать задачи очень быстро. Квантовый компьютер перебирает сразу все варианты и смотрит, какой лучше.
Так же, как и обычный ПК, квантовый компьютер необходимо программировать. Это означает, что должен появиться алгоритм — последовательность шагов, которой компьютер может следовать, чтобы произвести вычисление. В 1994 году американский компьютерный специалист Питер Шор из Нью-Джерси разработал алгоритм, позволяющий квантовому компьютеру разложить любое число на два простых множителя.
В 2019 году компания Google продемонстрировала миру свою разработку, которая смогла решить задачу, недоступную классическому компьютеру. Инженеры калифорнийской компании создали новый процессор, получивший название Sycamore. Он состоит из 53 «кубитов» — так называют элементы, которые хранят квантовые биты информации. Один из авторов нового исследования Брукс Фоксен (Brooks Foxen), физик из лаборатории Google сказал: «На расчеты, которые заняли бы 10 тысяч лет на классическом суперкомпьютере, нашему квантовому компьютеру потребовалось всего лишь 200 секунд».
Квантовые сенсоры — высокочувствительные приборы, основанные на регистрации индивидуальных квантовых эффектов, то есть квантовых эффектов, касающихся отдельных квантовых систем. Примерами таких сенсоров будут лавинный однофотонный детектор и квантовый датчик случайных чисел. Квантовые сенсоры и метрологические устройства смогут обеспечить измерение различных физических величин с предельно допустимой разрешающей способностью.
Квантовые сенсоры невероятно миниатюрные и чувствительные. Большие перспективы ждут их в медицине и биологии: анализ генома, диагностика заболеваний, в том числе онкологических, исследование процессов, происходящих в теле человека, внутренних органов, тканей, клеток и молекул.
Кроме того, высокочувствительные датчики нового поколения будут применять и в других областях: навигация (космическая отрасль, беспилотный транспорт), оборона и безопасность, геологоразведочные работы, нефтедобыча и строительство, технологии интернета вещей.
Квантовые коммуникации (также называемые квантовой криптографией или квантовым распределением ключей) — область знаний о передаче неизвестного квантового состояния из одного местоположения в другое, удаленное от первого местоположение, решают центральную проблему криптографии — проблему конфиденциального распределения ключей между удаленными пользователями. При этом конфиденциальность информации, передаваемой с помощью квантовых коммуникаций, гарантируется законами физики. Квантовое распределение ключей — метод передачи ключа, который использует квантовые явления для гарантии безопасной связи. Этот метод позволяет двум сторонам, соединенным по открытому каналу связи, создать общий случайный ключ, который известен только им, и использовать его для шифрования и расшифрования сообщений.
Квантовая сеть — коммуникационная сеть, защищающая передаваемые данные с использованием фундаментальных законов квантовой механики. Является практической реализацией так называемой квантовой криптографии. Квантовые сети формируют важный элемент квантовых вычислений и квантовых систем криптографии. Они допускают транспортировку квантовой информации между физически разделенными квантовыми системами.
Квантовая природа энергетических переходов в атомах позволила нам создать первые квантовые устройства — лазеры, оптические квантовые генераторы, дающие мощные узконаправленные пучки света. В основе их работы лежит использование эффекта вынужденного излучения. Суть эффекта состоит в том, что, облучая некоторые вещества излучением определенной длины волны, можно добиться инверсной заселенности энергетических уровней в атомах — большая часть электронов окажется на верхних этажах. Затем они начинают излучать, но излучать не «обычный» свет, а когерентный и монохроматический, то есть строго упорядоченный по фазе и одной определенной длины волны.
Кроме того, на использовании энергетических переходов основаны квантовые стандарты частоты и атомные часы, измеряющие время благодаря очень точной периодичности энергетических переходов в атомах. Атомные часы важны в навигации: определение положения космических кораблей, спутников, баллистических ракет, самолётов, подводных лодок, а также передвижение автомобилей в автоматическом режиме по спутниковой связи (GPS, ГЛОНАСС, Galileo). Атомные часы используются также в системах спутниковой и наземной телекоммуникации, в том числе в базовых станциях мобильной связи, международными и национальными бюро стандартов и службами точного времени, которые периодически транслируют временные сигналы по радио.
В то время как никто не отрицает огромный потенциал квантовых вычислений и достигнутый в последнее время прогресс, по-видимому, пройдёт ещё очень много лет, прежде чем появятся коммерческие квантовые компьютеры.
