Квантовая гонка: победитель получает всё

Кажется, что электронные устройства можно улучшать бесконечно, но на самом деле мы подходим к пределу миниатюризации транзисторов - кирпичиков, из которых строится вся современная электроника. За ней или бесконечный застой, или "квантовый скачок", переход на технологии, использующие операции с отдельными молекулами, атомами, электронами и фотонами.

История: фотоэффект и квантовый генератор

Более ста лет назад Макс Планк заложил основы квантовой теории, которая по замысловатости для обычного жителя Земли легко соперничает с теорией относительности Эйнштейна. Оказалось, что вещество имеет и квантовую, и волновую природу, а кот Шрёдингера одновременно и жив, и мёртв.

Напомним, что Эйнштейн свою Нобелевскую премию получил за описание фотоэффекта, квантового явления, при котором свет выбивает электроны из вещества. Спустя полвека оно получило практическое применение при создании солнечных батарей. Ещё одним примером широкого применения квантовых технологий являются лазеры, иначе называемые квантовыми генераторами. Отметим, что изначально аналогичные устройства - мазеры - были созданы на радиоволнах, за это изобретение российские учёные Александр Прохоров и Николай Басов получили Нобелевскую премию.

Сейчас инженеры добрались до использования более тонких эффектов, поэтому, когда говорят о квантовых технологиях, подразумевают использование индивидуальных квантовых систем, чаще всего составленных на базе единичных молекул и атомов, взаимодействующих с электронами и фотонами.

Настоящее: квантовое шифрование и квантовые точки

Создание квантового компьютера - вопрос пока дискутируемый, о нём позже. Но уже созданы экспериментальные линии связи, защищённые квантовым шифрованием. Принципиальный момент - невозможность их скрытого прослушивания. Любая попытка перехвата сообщения приводит к изменению состояния фотонов, которое легко заметит принимающая сторона (и даст команду прекратить передачу или сменить код для следующего сообщения). Пока даже для военных они дороги, а длина канала не превышает 200 километров. Но в будущем в комплексе с квантовым шифрованием может переписать всю современную криптографическую систему.

Компании уже готовятся к появлению квантовых технологий шифрования, например, Acronis заключила соглашение с ID Quantique, чтобы внести соответствующие алгоритмы в своё ПО для резервного хранения данных. Однако это, скорее, работа на будущее и очень редких существующих заказчиков систем с уровнем защиты информации, отличающимся по технологичности от существующих, как автомат от лука.

Более простой способ познакомиться с современными технологиями - покупка телевизора. Чем меньше частиц вы используете, тем труднее ими управлять, зато если получится, то их поведение более предсказуемое. Учёным удалось создать кристаллы, в которых электроны заключены в ловушку из силовых полей окружающих атомов и электронов. В результате они дают излучение строго определённого цвета (длины волны, если быть более корректным), что применили в топовых моделях своих устройств Samsung, Sony, LG и TCL. То есть эта технология ещё относительно дорога, но уже не является редкой, доступна у разных производителей.

Отдельная глава: перекосы мира с квантовым компьютером

Как подобает настоящему квантовому объекту, квантовый компьютер - устройство канадской компании D-Wave - вроде бы и есть, но его вроде бы и нет. Потому что аппарат D-Wave реализует только один из возможных алгоритмов, который не позволяет решать самые интересные задачи: например, разложение больших чисел на простые множители, которое нужно для взлома секретных кодов.

Илья Бетеров, кандидат физико-математических наук старший научный сотрудник Института физики полупроводников СО РАН, доцент НГУ и НГТУ, отметил в беседе с Лайфом: "Есть точка зрения, что им [D-Wave] предстоит отказаться от архитектуры процессора, которую они выбрали с целью реализации своего адиабатического алгоритма, и вернуться к традиционной схеме квантовых вычислений, используя наработанный ими технологический задел".

Несмотря на вопросы к функциональности D-Wave, его уже купили Google и DARPA, чтобы изучать возможности квантовых вычислительных систем. По мнению Бетерова, для России важно не столько сделать квантовый компьютер первыми, сколько внимательно следить за прогрессом в этой области, реализовывать отдельные его элементы и иметь достаточно специалистов, которые смогут в короткие сроки создать аналогичные системы, когда станет понятна их практическая польза.

Видимо, с ним согласны и в правительстве: Минобрнауки, госкорпорация "Росатом" и Фонд перспективных исследований 28 апреля подписали соглашение на реализацию трёхлетнего проекта "Создание технологии обработки информации на основе сверхпроводящих кубитов" объёмом 750 млн рублей. Его реализация заложит базу для создания квантового компьютера.

Работы по реализации квантовых вычислений ведутся также и в Новосибирске: в Институте физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН и вPНовосибирском государственном университете. В качестве кубитов, вычислительных элементов квантового компьютера, рассматриваются холодные нейтральные атомы рубидия, квантовые точки и дефекты кристаллической решётки в алмазах. Разные подходы не только интересны с научной точки зрения, но и позволяют инженерам выбрать наиболее эффективную концепцию для будущего вычислительного устройства, подходящую по габаритам, точности вычислений и точности эксплуатации.

Интерес к ещё толком не созданному устройству объясняется тем, что квантовый компьютер потенциально будет в миллиарды раз быстрее существующих вычислительных устройств. Если он сможет выполнять алгоритм Шора, то сможет быстро раскладывать числа на множители, а эта операция лежит в основе дешифрования всех современных кодов. Отсюда отчасти проистекает тот интерес, который проявляют к разработке государства и различные специальные структуры. Так, к примеру, американские эксперты в области квантовых вычислений открыто говорят о том, что Агентство национальной безопасности США располагает огромным массивом собранной зашифрованной информации в расчёте на изобретение новых средств по дешифровке.

Однако область применения квантовых компьютеров намного шире. Реализация различных алгоритмов на таких устройствах позволит создавать новые материалы и лекарства. Увы, скорее всего, они потребуют охлаждения жидким гелием до температуры, близкой к абсолютному нулю, а значит, будут достаточно большими - размером со шкаф.

Есть вариант, что в наручных устройствах удастся уместить лишь квантовые симуляторы - аппараты, имеющие узкую специализацию. Остаётся надеяться на быстрые беспроводные каналы связи носимых устройств и вычисления в облаке на базе квантовых компьютеров.

Однако учёные отмечают и положительную сторону квантовых компьютеров. Наращивать их размеры для повышения производительности тоже не придётся.

"Для создания новых материалов нет необходимости переходить к масштабам меньше атомных. Свойства материала определяются тем, атомы каких химических элементов входят в его состав и каково их взаимное расположение. Соответственно, задача квантового моделирования состоит в том, чтобы подобрать такой набор атомов и расположить их в таком порядке, чтобы в результате получить вещество с заданными свойствами", - объяснил Лайфу Александр Печень, профессор РАН и федеральный профессор математики Национального исследовательского технологического университета МИСиС, учёный секретарь, ведущий научный сотрудник Математического института им. В.А. Стеклова РАН.

Илья Бетеров с ним согласен: "Физический размер массива кубитов сейчас не самая большая проблема, потому что их нужно не так много, порядка тысячи. Более сложный вопрос: как сделать квантовый регистр, число кубитов в котором можно наращивать и чтобы с этими кубитами можно было делать операции с высокой точностью". Он добавляет, что если удастся сделать квантовый компьютер на дипольных ловушках с холодными атомами, то конструкция размером 4x4 миллиметра сможет содержать миллион кубитов - в тысячу раз больше минимально необходимого набора.

Ближайшее будущее: чувствительные детекторы и метаматериалы

Apple в 2014 году просто загипнотизировала всех медицинской платформой HealthKit, которая в перспективе будет способна оценивать состояние пользователя, сравнивая его данные с показателями миллионов других пользователей. Только пока медицинские возможности электронных устройств любых производителей ограничиваются подсчётом количества пройдённых шагов и пульса во время тренировки. Важная информация, но явно недостаточная, чтобы показать диагностическую картину.

Миниатюрные измерительные системы, созданные при помощи квантовых технологий, помогут, например, в снятии кардиограмм или энцефалограмм для регулярного отслеживания деятельности сердца и мозга - это необходимо для оперативного предсказания потенциальных проблем со здоровьем.

Например, Российский квантовый центр ведёт разработку датчика на ферримагнетиках. Этот класс веществ замечателен тем, что спины его атомов ориентируются так, чтобы скомпенсировать внешнее магнитное поле, но не полностью. Исследователи поместили кристаллические плёнки феррит-граната во вращающееся магнитное поле. Получившиеся магнитные маятники начинают прецессировать (менять направление оси вращения) под действием слабых магнитных полей. Они столь чувствительны, что считывают даже электрические сигналы в нервных волокнах, проходящих через сердце.

Такой детектор, имея размер в десятки миллиметров, позволяет делать магнитную кардиограмму с точностью, доступной сейчас только с помощью датчиков СКВИД. При этом устройство получится относительно недорогое и с размерами, уместными для хранения дома. А аппараты на базе СКВИД, требующие охлаждения жидким гелием для перевода в сверхпроводящее состояние, имеют значительные размеры и доступны только крупным медицинским учреждениям. Переход на ферритовые сенсоры позволит пользователям хранить аппарат дома и регулярно проверять состояние сердца, а в перспективе и мозга.

В этом же центре создаются сенсоры для обнаружения отдельных молекул вещества методом комбинационного рассеяния. Квантовые технологии позволяют сделать достаточно компактные сканеры для установки их в местах проверки людей службами безопасности. В одном грамме вещества содержатся миллиарды его миллиардов молекул. Как ни пакуй взрывчатку или наркотики, какие-то из них проникнут через обёртку, и потенциальный террорист или наркокурьер будет пойман.

В то же время Илья Бетеров считает, что создание квантовых симуляторов сейчас даже интереснее квантовых компьютеров. Они дают возможность с помощью простых физических систем моделировать сложные. Это позволит быстро находить интересные свойства у новых веществ и более подробно исследовать существующие.

В практическом плане, по прогнозу Александра Печеня, квантовое моделирование позволит получить ранее не существовавшие материалы, в которых "квантовые эффекты, характерные для систем многих тел, используются для создания соединений с новыми свойствами". Они смогут применяться в устройствах квантовой памяти для высокотемпературной сверхпроводимости, биодиагностики на основе квантовых точек, создания суперконденсаторов на основе лазерно-индуцированного графена.

Например, прорывом стало бы создание сверхпроводников, работающих при комнатной температуре - они бы проводили ток без потерь, без громоздких систем охлаждения, что позволило бы сэкономить миллиарды киловатт электроэнергии при передаче от генерирующих станций к потребителю. Компактные диагностические устройства следили бы за нашим здоровьем, вовремя предупреждая об угрозах. Суперконденсаторы позволили бы телефонам работать неделями, а машинам проезжать всю страну на одной зарядке. Если вас не очень волнуют новые материалы и тип двигателя в автомобиле, то наверняка заинтересует, что квантовые симуляторы помогут разработать эффективные лекарства для борьбы с болезнями.