Квантовые технологии, что это и зачем?

Квантовые технологии: будущее уже на пороге

Квантовые технологии — это не просто научная фантастика, а реальность, которая уже меняет мир. От квантовых компьютеров до сенсоров и коммуникаций — эти технологии открывают новые горизонты для науки, бизнеса и даже национальной безопасности. Давайте разберёмся, что такое квантовые технологии, почему они так важны и какие компании уже вступили в гонку за лидерство в этой сфере.

Что такое квантовые технологии?

Квантовые технологии основаны на принципах квантовой механики, таких как суперпозиция (способность частицы находиться в нескольких состояниях одновременно) и запутанность (связь между частицами, которая работает мгновенно, независимо от расстояния). Эти свойства позволяют создавать вычислительные системы, которые в десятки миллионов раз мощнее современных компьютеров.

Квантовые технологии включают:

1. Квантовые компьютеры — устройства, способные решать задачи, недоступные для классических систем.
2. Квантовые сенсоры — датчики с высочайшей чувствительностью, которые могут измерять магнитные и гравитационные поля, что полезно для навигации и медицины.
3. Квантовые коммуникации — защищённые линии связи, которые невозможно взломать даже с помощью квантовых компьютеров.

Перспективы квантовых технологий

Квантовые технологии уже сегодня демонстрируют огромный потенциал. Они могут:

• Ускорить процесс разработки лекарств, моделируя сложные молекулярные структуры.
• Повысить эффективность батарей и солнечных панелей, что важно для решения проблем энергетики.
• Обеспечить абсолютную защиту данных в криптографии.
• Помочь в решении сложных задач оптимизации, например, в логистике и финансах.

По прогнозам, к 2030 году мировой рынок квантовых технологий может достичь 5 миллиардов долларов, а к 2040 году — вырасти до 106 миллиардов.

Компании, которые меняют правила игры

В квантовой гонке лидером становится не только наука, но и бизнес. Несколько компаний уже доказали свою способность внедрять квантовые технологии в реальные проекты:

IonQ (IONQ)
IonQ — один из лидеров в области квантовых вычислений. Компания разработала квантовый компьютер с 36 кубитами, который уже используется в таких проектах, как моделирование химических реакций для разработки лекарств.
В 2024 году IonQ заключила контракт с ВВС США на 54,5 миллиона долларов для разработки квантовых сетей.
Компания также сотрудничает с AstraZeneca для ускорения процесса создания новых лекарств.

D-Wave Quantum Inc. (QBTS)
D-Wave специализируется на квантовых вычислениях для решения задач оптимизации. Её технологии уже используются в логистике, финансах и других отраслях.
В 2024 году акции компании выросли на 517% благодаря успешным проектам и стратегическим партнёрствам.

Rigetti Computing (RGTI)
Rigetti разрабатывает квантовые процессоры, которые уже используются в научных исследованиях и коммерческих проектах.
В 2024 году компания получила инвестиции в размере 100 миллионов долларов, что позволило ей расширить свои разработки.

Россия в квантовой гонке

Россия также активно развивает квантовые технологии. В стране уже созданы квантовые компьютеры с 50 кубитами, что позволяет ей конкурировать с лидерами в этой области.

• В 2024 году была принята дорожная карта по развитию квантовых технологий, которая включает инвестиции в размере 68,9 миллиардов рублей.
• Российские учёные работают над созданием квантовых сенсоров и коммуникационных систем, которые могут быть использованы в оборонной и гражданской сферах.

Также стоит упомянуть очередной прорыв в квантовой гонке от компании Google с их чипом Willow содержащим 105 физических кубитов.

Сравнение чипа Willow от Google с алгоритмическими кубитами

Google представила квантовый чип Willow, который использует сверхпроводниковые трансмоновые кубиты (superconducting transmon qubits). Этот чип стал важным прорывом в области квантовых вычислений, но его работа сильно отличается от алгоритмических кубитов, которые используются в других подходах к квантовым вычислениям. Вот сравнение основных аспектов:

1. Физическая реализация

• Willow (сверхпроводниковые трансмоновые кубиты):
  Основан на сверхпроводящих кубитах, которые представляют собой электрические цепи, работающие в условиях сверхпроводимости при температуре, близкой к абсолютному нулю (-273°C).
  Использует трансмоновые кубиты, которые являются ангармоническими осцилляторами на основе джозефсоновских контактов.
  Эти кубиты устойчивы к ошибкам и имеют относительно долгое время когерентности, что делает их подходящими для квантовых вычислений.
• Алгоритмические кубиты:
  Алгоритмические кубиты — это логические кубиты, которые создаются с использованием множества физических кубитов для коррекции ошибок.
  Они представляют собой более сложную конструкцию, где несколько физических кубитов объединяются в один логический кубит, чтобы минимизировать влияние ошибок.
  Этот подход требует большого количества физических кубитов для создания одного логического кубита, что делает его более ресурсоемким.

2. Ошибки и коррекция

• Willow:
  Willow достиг важного прорыва в области экспоненциального снижения ошибок при увеличении числа физических кубитов.
  Это означает, что с ростом числа кубитов ошибки не увеличиваются, а уменьшаются, что является ключевым шагом к созданию масштабируемых квантовых компьютеров.
• Алгоритмические кубиты:
  Алгоритмические кубиты используют квантовую коррекцию ошибок для уменьшения вероятности ошибок.
  Однако для создания одного логического кубита требуется множество физических кубитов (например, для создания логического кубита с ошибкой 1/1,000,000 может потребоваться 1,457 физических кубитов)8.
  Это делает алгоритмические кубиты более сложными в реализации, но потенциально более устойчивыми к ошибкам.

3. Производительность

• Willow:
  Willow с 105 кубитами продемонстрировал высокую производительность, решив задачу, которая заняла бы суперкомпьютер 10 септиллионов лет (10^25 лет).
  Это стало возможным благодаря улучшенной коррекции ошибок и увеличению времени когерентности кубитов.
• Алгоритмические кубиты:
  Алгоритмические кубиты, хотя и более устойчивы к ошибкам, требуют значительно большего количества физических кубитов для достижения той же производительности.
  Это делает их менее масштабируемыми на текущем этапе развития технологий.

4. Масштабируемость

• Willow:
  Willow использует физические кубиты, которые можно масштабировать относительно просто, если улучшать технологию производства и коррекцию ошибок.
  Однако для создания крупномасштабного квантового компьютера потребуется значительно большее количество кубитов.
• Алгоритмические кубиты:
  Алгоритмические кубиты требуют огромного количества физических кубитов для создания логических кубитов.
  Это делает их масштабирование более сложным и ресурсоемким, но потенциально более устойчивым к ошибкам в будущем.

5. Применение

• Willow:
  Willow ориентирован на практические применения, такие как разработка лекарств, проектирование батарей и моделирование сложных квантовых систем.
  Он уже демонстрирует возможности, недоступные для классических компьютеров.
• Алгоритмические кубиты:
  Алгоритмические кубиты в перспективе могут быть использованы для решения задач, связанных с криптографией, моделированием материалов и другими сложными вычислениями.
  Однако их внедрение требует дальнейших исследований и разработок.

Итог

• Willow представляет собой прорыв в области сверхпроводниковых кубитов, которые уже демонстрируют высокую производительность и потенциал для практических применений.
• Алгоритмические кубиты — это более сложный подход, который требует значительного количества физических кубитов для создания логических кубитов с низкой вероятностью ошибок. Они более устойчивы к ошибкам, но пока менее масштабируемы.

Оба подхода имеют свои преимущества и недостатки, и их развитие будет определять будущее квантовых вычислений.

Заключение

Квантовые технологии — это не просто следующий шаг в развитии науки, а революция, которая уже меняет мир. Компании вроде IonQ, D-Wave и Rigetti демонстрируют, что квантовые вычисления уже не просто теория, а реальный инструмент для решения сложных задач.

Будущее уже здесь, и те, кто вовремя воспользуется этими технологиями, станут лидерами в своих отраслях. Квантовые технологии — это не только про вычисления, но и про новые возможности для бизнеса, науки и общества в целом.

Мы в Telegram

Мы в X