Квантовый мир в технологиях

На днях вышла бомбическая новость: Google представила квантовый чип Willow, который подаётся не иначе как революционный. Если всё так, как нам рассказывают, то известный нам мир скоро сильно изменится. Если вы слабо представляете, что такое квантовая технология и зачем она нужна, то этот материал — для вас.

Что такое квантовая технология?

Эйнштейн сказал, что если бы квантовая механика была правильной, то мир был бы сумасшедшим.

Даниэль М. Гринбергер

Чтобы понять, что такое квантовая технология, нужно сначала уложить в голове основы квантовой механики.

Справка: Квантовая механика — это раздел физики, который занимается явлениями, происходящими в наномасштабе. В котором частицы, такие как электроны и фотоны, ведут себя совершенно иначе, чем объекты, с которыми мы взаимодействуем в повседневной жизни.

Уникальные свойства квантовой механики используют для разработки новых видов устройств и систем. Например, квантовая суперпозиция позволяет частицам существовать в нескольких состояниях одновременно, а запутанность позволяет частицам мгновенно связываться на огромных расстояниях. Эти свойства — не просто теоретические курьёзы. Они являются основой, на которой строятся квантовые технологии.

Вообще, квантовая механика присутствует в нашей жизни с 1930-х годов, с начала развития полупроводниковых материалов. После этого появилось много других технологий, таких как транзисторы и лазеры. Упомянутые технологии относятся к первому поколению. Более поздние достижения, такие как квантовые компьютеры и сенсоры, относятся ко второму поколению. В чём разница?

Технологии первого поколения используют квантовые эффекты косвенно, и они были разработаны на основе базового понимания квантовой механики. А технологии второго поколения используют квантовые явления, такие как суперпозиция и запутанность, напрямую.

Применение квантовых технологий

Существует несколько причин, побудивших человечество исследовать квантовые технологии для внедрения в такие важные отрасли, как проектирование вычислений, дистанционное зондирование, криптография и логистика. Часто эти отрасли следовали в теоретической плоскости схожими путями развития на протяжении всей истории, расходясь в основном на этапах внедрения.

Хотя термин «квантовая технология» звучит несколько футуристично, она уже давно влияет на нашу повседневную жизнь.

Квантовая криптография

В эпоху растущих киберугроз квантовая криптография предлагает более безопасный способ общения. Она использует принципы квантовой механики для шифрования данных таким образом, что хакерам практически невозможно будет их перехватить. Квантовое распределение ключей (QKD) — пример квантовой криптографии в действии. Китайский спутник Micius успешно передал зашифрованные данные с использованием QKD на большие расстояния, установив новые стандарты безопасной связи.

Квантовые сенсоры

Квантовые состояния используют для невероятно чувствительных и точных измерений. Соответствующие устройства превосходят обычные датчики в таких областях, как мониторинг окружающей среды и медицинские исследования. Например, квантовые гравиметры используются для измерения гравитационных сил с беспрецедентной точностью. Они помогают нефтяным компаниям находить места для бурения на основе изменений в гравитационном поле Земли.

Квантовая визуализация

Квантовые состояния света используют для получения изображений с большим разрешением и детализацией, чем традиционные методы визуализации. В здравоохранении изучаются методы квантового МРТ, позволяющие получать более чёткие изображения, что потенциально позволит выявлять такие заболевания, как рак, на более ранних стадиях.

Науки о квантовых технологиях 

Первая — это, конечно же, квантовая физика, ведь все принципы квантовой механики опираются именно на неё. Далее идёт квантовая химия, поскольку некоторые типы квантовых компьютеров могут воспроизводить физические системы. Прямое применение для открытия новых лекарств. Наконец, мы можем поместить в этот ряд и квантовую информатику. Эта наука присутствует в целом в отраслях, которые имеют отношение к алгоритмам, таких как криптография или связь.

Просветление похоже на квантовое туннелирование — когда каждый видит стены и барьеры, просветлённый видит бесконечные возможности.

Амит Рэй

Квантовые вычисления

Это пожалуй, самое известное применение квантовой технологии. Традиционные компьютеры оперируют битами (0 и 1), а квантовые компьютеры используют кубиты, которые могут существовать в нескольких состояниях одновременно, что позволяет им выполнять сложные вычисления гораздо быстрее, чем классические компьютеры. Яркий пример — разработка лекарств. Фармацевтические компании, такие как D‑Wave Systems, уже используют квантовые компьютеры для моделирования молекулярных взаимодействий.

Решение конкретной проблемы с помощью вычислений 

Оценка риска в сочетании с оптимизацией портфеля лежит в основе всех успешных финансовых стратегий. Этот процесс включает в себя изучение множества комбинаций инвестиций для достижения оптимального баланса между риском и доходностью. Однако по мере увеличения количества активов анализ быстро превращается в экспоненциально сложную задачу для обычных компьютеров. Вот где квантовые вычисления выходят на первый план. Благодаря принципу суперпозиции и запутанности квантовые компьютеры могут обрабатывать колоссальные объёмы данных одновременно. Квантовые алгоритмы, такие как алгоритм приближённой квантовой оптимизации (QAOA), способны эффективнее обходить многогранный ландшафт финансовых данных. Они могут определять оптимальные портфели за долю времени, которое требуется традиционным алгоритмам.

Упрощённое описание того, как это работает:

1. Каждый потенциальный портфель представлен как квантовое состояние. Квантовый компьютер с его кубитами может удерживать суперпозицию этих состояний, эффективно рассматривая все возможные портфели одновременно.

2. Каждому потенциальному портфелю присваивается стоимость на основе заранее определённой функции, которая может отражать общий риск портфеля или какую‑либо другую меру нежелательности.

3. Квантовый алгоритм пытается минимизировать функцию стоимости. Это делается применением серии квантовых операций (вентилей) для манипулирования состоянием кубитов. Эти вентили применяются многократно в итеративном процессе, каждый раз подталкивая систему немного ближе к состоянию, представляющему оптимальный портфель.

4. Квантовая интерференция используется для усиления вероятности оптимального портфеля и снижения вероятности менее желательных портфелей. Здесь в игру вступает присущая квантовым вычислениям вероятностная природа.

5. После ряда итераций измеряется квантовое состояние, сводя суперпозицию состояний к одному конкретному благодаря квантово‑механическому принципу измерения. При хорошо настроенном алгоритме это состояние должно с высокой вероятностью соответствовать оптимальному портфелю.

6. Затем квантовый компьютер выдаёт оптимальный портфель, который можно использовать для принятия обоснованных инвестиционных решений.

Этот метод превосходит традиционные компьютерные алгоритмы, которым обычно приходится последовательно тестировать каждую комбинацию портфеля, что может потребовать обширных вычислительных ресурсов и времени для больших наборов активов.

Устройства, в которых в настоящее время используется квантовая технология

К ним относятся светодиодные фонари, лазеры, МРТ и системы GPS, на которые мы полагаемся в поездках и городской навигации. Поскольку квант работает на заднем плане, мы склонны воспринимать эти устройства как должное.

• атомные часы используются для преобразования времени в расстояние от точки А до точки Б в GPS;

• лазеры используются в таких технологиях как сканеры в магазинах, микроскопы, прицелы и т. д.;

• в светодиодных светильниках используются полупроводники, которые перемещают электроны для высвобождения энергии посредством фотонов, создавая свет.

Хотя эти технологии не столь впечатляющи, как шумиха, которую мы слышим сегодня о квантовых вычислениях, они не работали бы без знаний квантовой физики.

Важность квантовой технологии

Наверное, всё‑таки несколько иначе нужно задать вопрос: «Что произойдёт, если мы не будем изучать различные квантовые технологии и останемся на „классической стадии“»? Насколько это будет плохо? Реальность такова, что современные технологии уже достигают определённых пределов.

Например, в вычислительной науке закон Мура устанавливает верхнюю границу для уменьшения размера транзисторов. Фактически, мы уже достигли этого предела. Если мы создадим более миниатюрные транзисторы, они не будут работать правильно, поскольку возникнут мешающие квантовые явления, такие как туннельный эффект. Поэтому, чтобы увеличить вычислительную мощность, приходится исследовать иные возможности.

Нечто подобное происходит в вышеупомянутой квантовой химии. Со временем миграционные потоки людей увеличиваются по мере развития транспортных технологий и уменьшения культурных барьеров. Распространение болезней становится более интенсивным, как мы наблюдали в случае с COVID-19, когда за несколько месяцев был затронут весь мир. Поэтому разработка вакцин и лекарств должна ускоряться экспоненциально, а при использовании классической технологии предел вычислений очевиден. Однако квантовые вычисления могут обеспечить количественный скачок, необходимый для этой области, чтобы гораздо быстрее разрабатывать новые и лучшие лекарства, удовлетворяя растущую потребность и, в процессе, спасая миллионы жизней.

То есть, можно сказать, что значимость квантовой технологии заключается в её потенциале решать проблемы, которые в настоящее время не поддаются решению с помощью классических технологий. Более того, ожидается, что развитие квантовой технологии подстегнёт экономический рост и создаст новые отрасли и рабочие места.

Понимание того, что такое квантовая технология, подразумевает признание её как набора технологий, основанных на принципах квантовой механики. Её применение широко, от вычислений и связи до сенсорики и визуализации. Науки, лежащие в основе этих технологий, сложны, но они обещают революционизировать наш мир способами, которые мы только начинаем себе представлять.