Первая квантовая революция
«Если вы думаете, что понимаете квантовую механику, вы её не понимаете»- Ричард Фейнман
В 1900 году Макс Планк выдвинул идею о том, что вещество излучает и поглощает свет дискретно, квантами. В 1905 году Альберт Эйнштейн написал знаменитую формулу E=mc^2, которая отражает эквивалентность массы и энергии. В 1926 году Эрвин Шредингер создал волновое уравнение квантовой механики. В 1927 году Вернер Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, который гласит чем точнее определено положение некоторой частицы, тем менее точно её импульс может быть предсказан из начальных условий. Основатели квантовой механики открыли нам дверь в мир квантовой Вселенной. В результате стало возможным создание первых квантовых технологий. Ядерное оружие, атомные электростанции, лазеры, компьютеры, атомные часы, магнито-резонансный томограф, большой адронный коллайдер, интернет-магазин, облачные базы данных, мобильная электроника, робототехника, искусственный интеллект. Все это реальность сегодняшнего дня.
Во второй квантовой революции технологии связаны с индивидуальными квантовыми объектами. Такими как отдельные атомы, ионы, фотоны или сверхпроводники.
Квантовый компьютер
Современный компьютер основан на транзисторах и информация хранится, обрабатывается и передается в битах. Бит есть единица информации, которая принимает два значения: либо ноль, либо единица, что соответствует состояниям «включить» и «выключить». Квантовый компьютер оперирует кубитами, которые могут не только «включаться» и «выключаться», но и находиться в переходном состоянии или быть «включенными» и «выключенными» одновременно. Google квантовый компьютер Sycamore за три минуты провел вычисления, которые современный суперкомпьютер будет вычислять три дня. Получается квантовый компьютер может расшифровать данные, защищенные современными криптографическими алгоритмами, за считанные минуты. Но многие защитные механизмы в цифровом мире основаны как раз на том, что их невозможно взломать за разумное время. Поэтому в первую очередь создается квантовая криптография и безопасность для защиты современных компьютеров и баз данных.
Квантовая криптография
Это есть алгоритм защиты коммуникаций, основанный на принципах квантовой физики. Квантовая криптография позволяет двум сторонам, соединенным по открытому каналу связи, создавать общий случайный ключ, который известен только двум сторонам и использовать этот ключ для шифрования и дешифрования сообщений. Если третья сторона попытается перехватить ключ, то состояние квантовых частиц изменится и две легитимные стороны узнают, что ключ скомпрометирован.
Криптовалюта, цифровая подпись, криптотелефон уже реальность. Квантовая криптография находит применение для защиты банковских транзакций, так как она обеспечивает надежную аутентификацию и шифрование данных. Для защиты военной и правительственной связи, так как она предотвращает подслушивание и взлом секретных сообщений. Для защиты квантовых компьютеров, так как она позволяет создавать квантовые алгоритмы, которые не могут быть взломаны современными компьютерами. Для защиты личной переписки, так как она гарантирует приватность и анонимность пользователей.
Квантовые вычисления
Концепция квантовых вычислений возникла в 1990-х годах, когда произошел синтез квантовой физики и информатики. Было обнаружено, что определенные задачи можно решать быстрее, если алгоритмы используют комплексные числа, закодированные в квантовой физике. Осознание этого факта привело к разработке устройств, использующих свет и материю для выполнения этих вычислений, положив начало квантовым вычислениям.
С 2023 года исследования квантовых вычислений из университетских лабораторий переходят и находят применение в промышленных научно-исследовательских центрах при поддержке крупных корпораций и частных инвесторов. Кубит технологию на основе сверхпроводимости разрабатывают такие компании как IBM, Google, Rigetti и Alibaba. Спин кубит технологию разрабатывает Intel. Топологические кубиты разрабатывает Microsoft. Фотонные кубиты разрабатывает PsiQuantum, Xanadu, ORCAComputing. Кубит технология захваченных ионов разрабатывает IonQ и Honeywell. Квантовые машины подвержены ошибкам. Потому что промежуточное состояние «включить» и «выключить» очень нестабильное, и чем больше в системе кубитов, тем труднее его поддерживать. Конечная цель есть создание крупномасштабного квантового компьютера, способного к самокоррекции.
Квантовые материалы
- Графен есть двумерный материал, состоящий из одного слоя атомов углерода, соединенных в шестигранную решетку. Он обладает уникальными свойствами, такими как высокая проводимость электричества и тепла, высокая прочность, гибкость и прозрачность. Графен находит применение в электронике при производстве и создании фотоэлементов, сенсорных панелей, светодиодных ламп, интегральных схем.
- Фуллерен есть молекулярное соединение, состоящее из атомов углерода, которые образуют замкнутые многогранники с пяти и шестиугольными гранями, похожего на футбольный мяч. Он назван в честь архитектора Ричарда Бакминстера Фуллера, который использовал такие фигуры в своих конструкциях. Фуллерены имеют такие свойства, как высокая термостабильность, электропроводность, сверхпроводимость. Они находят применение в солнечных батареях, молекулярной электронике, медицине.
- Фуллерит есть кристаллическое вещество, состоящее из молекул фуллеренов, соединенных между собой алмазоподобными связями. Фуллерит обладает очень высокой твердостью и может быть сверхпроводником при низких температурах. Он находит применение в качестве сенсора, лазера, сверхпроводника, а также для создания наноалмазов.
- Гидратированный фуллерен - молекулярный комплекс, состоящий из молекулы фуллерена и молекул воды. Гидротированный фуллерен имеет антиоксидантые, противовоспалительные и антибактериальные свойства и находит применение в медицине.
- Углеродные нанотрубки есть наноструктуры из атомов углерода, которые имеют форму цилиндра. Они обладают такими свойствами как высокая прочность, теплопроводность, электропроводность и оптическая прозрачность. Углеродные нанотрубки находят применение как проводящие пластмассы, которые улучшают электрические и механические характеристики полимеров. Как противообрастающие краски, которые используют нанотрубки в качестве антибактериальных агентов для защиты подводных частей. Как структурные композиционные материалы, которые повышают прочность и жесткость конструкций из металла, керамики или углеродных волокон.
Квантовая метрология
Это есть квантовые сенсорные устройства способные измерять необходимые физические величины (время, частота, расстояние, скорость, температура, напряженность магнитного и электрического полей) с высокой степенью точности и чувствительности на основании квантовых состояний и эффектов. Квантовая метрология находит применение в астрофизике, геодезии, навигации, медицине, в военных технологиях.
Квантовая телепортация
Это есть процесс передачи квантового состояния одной частицы на другую на расстоянии без физической передачи самой частицы. Обязательным условием для проведения квантовой телепортации является наличие набора одинаковых атомов в точке отправления состояния и в точке получения состояния. При этом возможна лишь передача квантовой информации, а не макрообьектов.
Квантовая телепортация находит применение для создания квантовых сетей, которые позволяют обмениваться квантовой информацией между удаленными узлами. Для реализации квантовых алгоритмов, которые требуют перемещения квантовых данных между разными частями квантового компьютера. Для квантовой криптографии, которая обеспечивает абсолютную безопасность и конфидициальность компьютеров. Для исследования фундаментальных аспектов квантовой физики: квантовая запутанность, квантовая неопределенность и квантовая нелокальность.
С точки зрения XXI века квантовая физика не кажется сложной ни с научной ни с технологической точки зрения. Реальность состоит в том, чтобы примирить квантовые странности с интуитивной реальностью и применять законы микромира в новых квантовых технологиях.