Квантовая технология

Основные принципы квантовых технологий^[2]:

• квантовая суперпозиция — способность квантовой системы (например, электрона, фотона, кубита) одновременно находиться в нескольких состояниях до момента её измерения;
• квантовая запутанность — явление, при котором две или более квантовые частицы образуют единую систему с взаимозависимыми свойствами, даже если их разнести на огромное расстояние;
• квантовое туннелирование — способность квантовой частицы преодолевать энергетический барьер, который в классической физике для неё непреодолим;
• квантовая когерентность — способность сохранять квантовое состояние во времени;
• неопределённость Гейзенберга — невозможность одновременного точного измерения пары сопряжённых величин;
• квантовая телепортация — процесс передачи квантового состояния (например, спиновой ориентации частицы или поляризации фотона) от одной частицы к другой на произвольное расстояние без физического переноса самой частицы-носителя;
• квантовая интерференция — волны вероятности квантовых состояний могут усиливать или гасить друг друга.

Основные задачи, решаемые квантовыми технологиями^[3]:

• вычислительные задачи — квантовые вычисления;
• задачи связи и безопасности — квантовая криптография;
• задачи измерения и сенсоры — квантовая метрология;
• фундаментальные научные исследования.

Вычислительные задачи (квантовые вычисления)^[3]:

• Криптография и взлом шифров:
  • алгоритм Шора — позволяет эффективно разлагать большие числа на множители, что ставит под угрозу современные алгоритмы шифрования;
  • алгоритм Гровера — ускоряет поиск в неструктурированных базах данных в квадратичное число раз;

• Оптимизация сложных систем:
  • решение задач логистики, управления финансовыми портфелями, оптимизации маршрутов доставки и цепочек поставок;
  • моделирование работы сложных сетей (энергосистемы, трафик интернета).

• Моделирование и симуляция:
  • квантовая химия и материаловедение — точное моделирование молекул, катализаторов, новых материалов и лекарств на квантовом уровне (это позволяет ускорить разработку новых батарей, удобрений и препаратов);
  • физика конденсированных сред — изучение сверхпроводимости, квантовых фазовых переходов.

Задачи связи и безопасности (квантовая криптография)^[3]:

• Защита данных:
  • квантовое распределение ключей — создание каналов связи, защищённых фундаментальными законами физики (любая попытка перехвата неизбежно оставляет следы и обнаруживается);
  • защита от «квантового апокалипсиса» — разработка и тестирование постквантовой криптографии (алгоритмов, устойчивых к атакам квантовых компьютеров).
• Создание глобальных сетей: построение квантового интернета — сети, соединяющей квантовые компьютеры и сенсоры через защищённые каналы с использованием квантовой телепортации состояний.

Задачи измерения и сенсоры (квантовая метрология)^[3]:

• Сверхточная навигация — создание квантовых акселерометров и гироскопов для навигации без глобальных навигационных спутниковых систем (для движения под водой, беспилотных авиационных систем, автомобилей).
• Зондирование и обнаружение:
  • квантовые магнитометры — обнаружение подводных лодок, подземных объектов (бункеров, трубопроводов), диагностика заболеваний мозга путём измерения сверхслабых магнитных полей;
  • квантовые гравиметры — составление карт гравитационных аномалий для поиска полезных ископаемых, прогнозирования извержений вулканов;
  • квантовые радары и лидары — обнаружение малозаметных целей (стелс-самолётов) в сложных погодных условиях.
• Эталоны времени и частоты: атомные часы новой генерации для синхронизации телекоммуникационных сетей (5G/6G), навигационных систем и финансовых транзакций.

Фундаментальные научные исследования^[2]:

• проверка основ квантовой механики — тестирование квантовой запутанности, телепортация состояний на большие расстояния;
• исследование ранней Вселенной — моделирование условий Большого взрыва и работы чёрных дыр на квантовых симуляторах;
• высокоэнергетическая физика — анализ данных с ускорителей частиц и моделирование сложных квантовых систем.

Несмотря на огромный потенциал, область квантовых технологий сталкивается с серьёзными вызовами, которые замедляют их внедрение^[1]:

• Декогеренция — главная проблема квантовых вычислений, квантовые состояния (суперпозиция, запутанность) крайне хрупки и легко разрушаются из-за взаимодействия с окружающей средой (шум, температура, вибрации). Борьба с этим ведётся через:
  • криогенику — охлаждение процессоров до температур, близких к абсолютному нулю;
  • коррекция ошибок — разработка алгоритмов, которые обнаруживают и исправляют ошибки, используя множество физических кубитов для создания одного стабильного «логического кубита».
• Масштабируемость — создание систем с большим количеством кубитов (сотни, тысячи логических кубитов), это инженерная задача колоссальной сложности.
• Стоимость и инфраструктура — квантовые компьютеры требуют чрезвычайно сложного и дорогого оборудования, квантовые сети нуждаются в создании новой инфраструктуры (повторителей, спутников).

• Квантовая криптография^[4]:
  • в Китае запущена защищённая квантовая линия правительственной и финансовой связи между Пекином и Шанхаем протяжённостью более 2000 км;
  • в Швейцарии квантовая сеть защищает результаты федеральных выборов от взлома.

• Квантовые сенсоры (датчики):
  • системы, использующие запутанные фотоны для получения изображений с высоким разрешением в условиях, где классические системы бесполезны (туман, дым, сильная засветка);
  • медицинская диагностика (магнитоэнцефалография), приборы на основе сверхпроводящих квантовых интерференционных датчиков, которые измеряют сверхслабые магнитные поля, создаваемые активностью нейронов мозга (диагностика эпилепсии, болезни Альцгеймера, изучение работы мозга).

• Геология и навигация:
  • квантовые гравиметры измеряют микроскопические изменения гравитационного поля Земли, используются для поиска нефти и газа под морским дном без бурения;
  • создание систем навигации для подводных лодок, не требующих сигналов глобальных навигационных спутниковых систем;
  • беспилотный транспорт — квантовые акселерометры и гироскопы повышают точность и надёжность навигации беспилотных автомобилей и летательных аппаратов.

• Квантовые компьютеры (и симуляторы) — устройства, использующие кубиты для хранения и обработки данных, что позволяет решать задачи, которые неподвластны классическим компьютерам^[4].
• Материаловедение и химия — компания IBM совместно с Daimler использовала квантовый компьютер для моделирования структуры молекул литий-серных аккумуляторов, чтобы создать более эффективные батареи для электромобилей.
• Логистика — компания Volkswagen экспериментировала с квантовыми алгоритмами для оптимизации маршрутов общественного транспорта в Лиссабоне и управления движением в Пекине, чтобы избежать пробок.
• Финансы — банки, такие как JPMorgan Chase и Goldman Sachs, активно внедряют методы вычислительных финансов и тестируют квантовые алгоритмы для оптимизации инвестиционных портфелей и оценки финансовых рисков.
• Синхронизация сетей — высокоточная синхронизация необходима для работы финансовых рынков (где сделки заключаются за микросекунды), телекоммуникационных сетей 5G и интернета.

• Новейшие квантовые часы на основе атомов стронция настолько точны, что не ошибутся ни на секунду за всё время существования Вселенной, их применение обеспечит работу глобальных навигационных спутниковых систем, точность местоположения потребителя в которых напрямую зависит от точности атомных часов на спутниках.
• Квантовые изображения (радары и лидары) — системы, использующие запутанные фотоны для получения изображений с высоким разрешением в условиях, где классические системы бесполезны (туман, дым, сильная засветка).
• Военное применение — обнаружение объектов, использующих технологии невидимости, малозаметных для обычных радаров.

Второе десятилетие XXI века — это эпоха NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) — шумных квантовых компьютеров промежуточного масштаба. Эти устройства имеют несколько сотен кубитов, но они подвержены шуму и ошибкам. Они уже могут решать некоторые специализированные задачи (квантовые симуляции, оптимизация), где могут показать «квантовое преимущество», решить задачу быстрее классического суперкомпьютера, но до взлома RSA алгоритмом Шора ещё десятилетия^[5].