Что такое квантовые технологии и для чего они нужны?

Нередко люди думают, что квантовые технологии – это нечто из области невероятного и доступного только крупнейшим научным центрам. На самом деле квантовые технологии однажды уже перевернули привычную реальность: именно они подарили нам смартфоны, сверхплоские телевизоры и вообще всю современную электронику. Это была первая квантовая революция – с ней мир получил транзисторы, лазеры, интегральные микросхемы и новые виды связи (например, мобильную).

Что принесет вторая квантовая революция – нам еще предстоит выяснить, но уже понятно, что она повлияет на мироустройство не меньше, чем первая. Какие же сейчас существуют квантовые разработки, способные изменить привычные устои? Разберем некоторые из них.

Квантовый компьютер – принципиально новые вычислительные возможности

Летом 2017 г. основатель Российского квантового центра (РКЦ) Михаил Лукин объявил, что совместно с учеными из Гарвардского и Массачусетского технологического университетов был создан и протестирован квантовый компьютер на 51 кубит.

Кубит – это элемент с квантовым разрядом, предназначенный для хранения информации квантового компьютера. В отличие от обычного компьютерного бита, который имеет лишь два состояния – ноль или единицу – кубит может находиться в состоянии суперпозиции (может быть одновременно и нолем и единицей), не подчиняясь традиционным состояниям. По сути это оптическое устройство, состоящее из проводников, призм и зеркал, и передающее квантовую информацию.

Компьютер, созданный в РКЦ, использует передачу данных не через сверхпроводники, как это принято, а при помощи передачи холодных атомов, которые удерживаются лазерными пинцетами. Пинцеты удерживают атомы при сверхнизких температурах. В теории квантовый компьютер может оказаться настолько мощным, что станет способен применять алгоритм Шора (проще говоря, дешифровку) к криптографическим схемам с открытым ключом. Это положит начало новым принципам криптографии, но также сделает все уже существующие принципы неэффективными.

Профессор физики в университете Калгари и один из самых известных персон в современной квантовой физике Александр Львовский считает, что открытие группы Лукина – несомненно, элемент второй квантовой революции. Но вместе с этим он утверждает, что созданное устройство – не квантовый компьютер.

«Эксперимент РКЦ – это один из шагов второй квантовой революции. Но на самом деле это не квантовый компьютер, а квантовый симулятор. То есть, не вычислительное устройство, а своего рода физическая система, которая эмулирует другие, более сложные физические системы», – поясняет Александр Львовский.

Еще один квантовый компьютер принадлежит Google – но разработала его канадская фирма D-Wave. Александр считает, что он по сути тоже не является компьютером в полном смысле слова.

«Компьютер, который купила Google – это так называемый квантовый отжигатель. Подразумевается, что он универсален – то есть, решает те же задачи, что и обычный компьютер, но быстрее. Разве что алгоритмы квантового компьютера не универсальны – они «заточены» под конкретные задачи. С ними он справляется действительно быстрее. Но это лишь потому, что что мы не выжимаем из традиционного «железа» максимум», – сообщает Александр Львовский.

Алгоритм квантового шифрования – быстрая и надёжная передача данных

Группа ученых из Университета Дьюка, Университета Огайо и Национальной лаборатории Ок-Ридж создала алгоритм квантового шифрования, скорость которого в десять раз превышает скорость распределения ключей в современной криптографии.

Суть алгоритма состоит в том, чтобы на высокой скорости измерять и автоматически изменять свойства маленьких бит материи. Это обеспечивает ускоренный обмен ключами, что предотвращает все известные попытки их перехвата.

Ученые использовали ослабленный лазер, который кодировал фотоны таким образом, что одна частица вмещала в себя не один, а два бита информации. Это и увеличило скорость формирования и передачи ключа. Такой метод шифрования уже сейчас можно применить по существующим линиям оптоволокна. Благодаря этому существенно повысится как скорость передачи данных, так и защита от взлома.

Счётчик фотонов – незаменимое устройство для квантового шифрования и вычисления

Другая разработка в области квантовых коммуникаций принадлежит Григорию Гольцману, совладельцу компании «Сконтел», которая производит сверхпроводники. Под его руководством был создан сверхпроводящий счетчик фотонов, в которых закодирована информация.

Эта разработка имеет вид цилиндра, в котором за счёт специального холодильного устройства поддерживается сверхнизкая температура для обеспечения сверхпроходимости проводника. Внутри находится чип шириной в пару миллиметров, на котором располагается сверхпроводник в 100 нанометров. Именно он и ловит фотоны. РКЦ использует такой счетчик в своих разработках по квантовой криптографии, использующейся в сфере коммуникаций.

Григорий Гольцман утверждает, что счётчик фотонов понадобится не только для обеспечения более быстрой и надёжной передачи данных, но и в квантовых вычислениях. Он обязательно будет присутствовать в квантовом компьютере. Внедрение разработки позволит вывести на качественно новый уровень медицину (анализ генома, диагностика заболеваний), оборонную промышленность и космические исследования.

Квантовая телепортация – будущее квантового интернета

Если представить себе Интернет с невзламываемым соединением и скоростью, измеряемой гигабитами в секунду, то ему обрадуются абсолютно все: и военные, и госструктуры, и рядовые пользователи.

В 2017 г. ученым Шанхайского университета удалось передать фотон на рекордное расстояние – 500 км. Он преодолел расстояние с земли до околоземного спутника QSS Mozi. Эксперимент проходил в вакууме, что обеспечило более надежную защиту квантового состояния.

В основу эксперимента был положен принцип квантовой запутанности, который подразумевает, что связь между двумя квантовыми частицами сохраняется вне зависимости от расстояния между ними. Передача фотона с земли на спутник проходила через систему призм, отражателей и лазеров. Ученым удалось разрушить квантовое состояние фотона при передаче, чтобы восстановить его в тот же момент времени, но уже в совершенно другом месте. Нужно отметить, что это была именно телепортация, а не разгон частицы до сверхвысокой скорости.

Передача частиц на столь большое расстояние означает, что можно создать новый, квантовый Wi-Fi. Сложно представить, насколько его скорость будет превосходить существующие показатели. Это новый этап развития не только сферы коммуникации, но и безопасности передачи данных.

Где подробнее узнать о квантовых технологиях?

Какие еще возможности открывают квантовые технологии? Как они изменят жизнь человека? Как создать собственный высокотехнологичный бизнес? Когда квантовые технологии станут широко распространены в России? На эти вопросы ответят спикеры Quantum Technology Conference, которая пройдет 1 марта в московском конференц-центре Newsroom. Среди участников конференции: Александр Львовский – один из самых известных квантовых физиков в мире, и Григорий Гольцман – профессор МПГУ и основатель компании «Сконтел».