Квантовые технологии - как физика сверхмалых частиц придет в нашу жизнь

Квантовые технологии - как физика сверхмалых частиц придет в нашу жизнь

Купальная шапочка, которая может следить за отдельными нейронами, позволяя другим контролировать состояние сознания того, на кого эту шапочку надягнут.

Датчик, который может обнаружить скрытые атомные подводные лодки. Компьютер, который может открыть новые лекарства, революционизировать торговлю ценными бумагами и разрабатывать новые материалы. Глобальная сеть каналов связи, чья безопасность гарантирована непреложными законами физики. Это и многое другое обещает нам внедрение квантовой технологии, пишет The Economist.

Весь этот потенциал возник из-за улучшения способности ученых ловить, нащупывать и использовать отдельные атомы и частицы света, которые называют фотонами. Сегодняшние компьютерные чипы становятся дешевле и все быстрее, а квантовая механика утверждает, что при достаточно малых масштабах частицы способны проникать в твердое тело и вызывать короткое замыкание внутри чипов, которые лежат в основе процессоров. Квантовые технологии подходят к этой проблеме с другой стороны. Вместо сокращения масштабов развития для устройств квантовые технологии используют необычное поведение отдельных атомов и частиц — и масштабируют такие разработки. Как и компьютеризация перед тем, это открывает целый мир возможностей почти в каждой существующей отрасли — и потенциал, чтобы «зажечь» огонь открытий в совершенно новых сферах.

Квантовая механика

Квантовая механика — теория поведения на атомном уровне, составленная в начале ХХ века, — имеет заслуженную репутацию чего-то непонятного. Так произошло, потому что мир, как его видит человечество — на самом деле не такой, как мы его привыкли воспринимать. Квантовая механика заменила многовековое понятие часового механизма, детерминированного Вселенной с реальностью, которая имеет дело с возможностями, а не фактами — на ту, где сам акт измерения влияет на то, что измеряется. Наряду с этим переворотом пришли несколько действительно сногсшибательных тезисов, которые трудно воспринять умом традиционной человека: такие, как тот факт, что частицы являются фундаментально ни здесь, ни там, они находятся в «суперпозиции». Теория также предположила, что частицы могут быть связаны между собой: сделаете что-то одно, — и изменение ощущается мгновенно другим, даже через большие расстояния в космосе. Это запутывает даже тех, кто разработал саму теорию квантовой физики.

Именно эти составляющие теории обещают большое будущее квантовым технологиям. Изобретения, которые эксплуатируют суперпозицию и взаимную «перепутанность» связей в мире, могут значительно превзойти уже существующие технологии, достичь того, что прежде считалось невозможным.

Улучшение атомных часов путем включения постулатов квантовой физики, например, делает их более точными, чем те, которые используются сегодня для спутникового позиционирования. Это может улучшить навигационную точность на несколько порядков, что сделает автономные автомобили безопасными и надежными. Поскольку сила локального гравитационного поля влияет на поток времени (согласно общей теории относительности), такие часы также помогут измерить крошечные изменения в гравитации. Это может быть использовано, чтобы определить расположение подземных коммуникаций без необходимости раскапывать дорогу, — или отслеживать подводные лодки противника на значительной глубине.

Другие аспекты квантовой теории позволяют передачу сообщений без опасений по поводу прослушивания. Сигналы, закодированные с использованием наложенных одна на одну или запутанных частиц, не могут быть перехвачены, дублированы или переданы на другой «пиратский» передатчик. Такая технология имеет очевидный запрос со стороны компаний и правительств во всем мире. Китай уже запустил спутник, который может принимать и перенаправлять такие сигналы; следующим шагом может стать глобальная сеть, доступ к которой нельзя сломать.

Квантовые компьютеры

Выгода от использования нечетных квантовых эффектов достигает своего максимума в квантовых компьютерах. Вместо двух ипостасях стандартных вычислений, биты квантового компьютера находятся в суперпозиции и взаимодействуют одновременно и «перепутанно». Используя алгоритмы, такие компьютеры будут обрабатывать задачи с такой скоростью и в таких объемах, на которые у современных суперкомпьютеров уйдут тысячелетия. Сейчас разрабатываются даже квантовые сети повышенной безопасности — ибо беспокойство вызывает то, что квантовые компьютеры будут в конечном счете «круче» существующих «устаревшие» криптографических методов, которые основаны на жестких математических задачах и связях.

Еще немало времени пройдет, пока все это произойдет; тем не менее, небольшие квантовые компьютеры будут делать все больший вклад в различные отрасли — от энергетики и логистики к разработке лекарственных препаратов и сферы финансов. Даже простые квантовые компьютеры должны быть в состоянии решать классы задач, которые ставят в тупик обычные современные компьютеры — к ним относятся оптимизация торговых стратегий или выбор перспективных медицинских препаратов из научной литературы. Google недавно заявила, что такие новейшие компьютеры появятся в коммерческой эксплуатации уже через 5 лет. В начале марта 2017 года IBM, которая уже работает над общедоступным базовым квантовым компьютером, объявила о планах расширения проекта. Появится спрос на программное обеспечение, на новые стартапы и даже на посредников для выпуска комплектующих под квантовые системы — а там подтянутся и отрасли, где такие новейшие компьютеры будут полезными.

Эта ситуация имеет много общего с состоянием интернета в начале 1990-х годов: тогда все делалось в основном в лабораторных условиях на основе экспериментов, которые занимали ученых на протяжении многих десятилетий, но в которых промышленность и государство начали видеть более широкий потенциал. Компании с рынка «голубых фишек» увлеклись этой технологии, развивали ее своими исследовательскими усилиями. Стартапы множатся. Правительства вкладывают средства в такие технологии со стратегической целью, заплатив за исследование рынка на протяжении многих лет — и это напоминание, что есть некоторые товары и услуги, которые можно заказывать исключительно на основе рыночного спроса.

К счастью для квантовых технологов, проблемы их сферы, что остаются — в основном инженерные, а не научные. И сегодняшние квантовые разработки — это только начало. Что наиболее увлекательное в квантовой технологии — то это ее еще нереализованный потенциал. Эксперты любой трансформационной технологии имеют нечеткое видение того, как много применений найдет новая разработка; Томас Эдисон думал, что сила его фонографа — в использовании во время уроков красноречия. На протяжении большей части ХХ века квантовые технологии в общественном сознании просто означали «нечто странное». В ХХІ веке квантовые технологии будут означать «что-то лучше существующего».

Комментарии: