Развитие квантовых технологий - последствия. Квантовые технологии это

10 невероятных последствий развития квантовых технологий

В научном сообществе образовался консенсус, что первый полностью функциональный квантовый компьютер будет готов приблизительно через десять лет — и это событие такого масштаба, что многие эксперты призывают считать годы, оставшиеся до «квантума».

Большинство людей, хотя бы немного знакомых с основными идеями квантовой механики, считают эту область несколько «странноватой», поскольку она иногда озадачивает даже опытных квантовых физиков. В голове появляются картинки людей, ходящих по стенам, путешествующих во времени и общей неопределенности, которая грозит искоренить наши самые привычные представления об истине и реальности. Стандартные измерения становятся бессмысленными.

Учитывая невероятный потенциал квантовых технологий, будет нелишним заявить, что те, кто овладеет этой технологий в будущем, будут иметь существенное преимущество перед теми, кто не овладеет — и касается это политики, финансов, безопасности и многих других сфер. Компании вроде Amazon, Microsoft и Intel с нетерпением ждут внедрения квантовой криптографии, поскольку опасаются, что хакеры постараются добраться до квантовых возможностей и обрушить системы безопасности этих компаний.

И раз уж мы можем сказать, что квантовые вычисления в скором времени точно появятся, нужно понять, что это означает для будущего и какие невероятные новые (и иногда пугающие) возможности принесут квантовые технологии.

Перед вами десять невероятных последствий внедрения квантовых технологий.

Экспоненциальное увеличение вычислительной скорости

Для начала небольшое короткое вступление: компьютер, на котором вы читаете это, работает на тех же базовых технологиях, которые используются практически в каждом компьютере мира. Это конечный двоичный мир, в котором информация закодирована в битах — единицах и нулях — которые могут существовать только в двух состояниях (вкл и выкл). Квантовые вычисления, напротив, используют «кубиты», которые могут существовать в практически бесчисленных состояниях одновременно. (Грубо говоря, n кубитов может существовать в 2n разных состояниях одновременно).

Если скормить обычному компьютеру последовательность из тридцати 0 и 1, будет примерно миллиард возможных значений этой последовательности, и компьютер, использующий обычные биты, должен проходить каждую комбинацию по отдельности, требуя много времени и памяти. С другой стороны, квантовый компьютер мог бы «видеть» все миллиарды последовательностей одновременно, что существенно сокращало бы временные и вычислительные затраты.

По сути, квантовые компьютеры будут способны производить расчеты за секунды, на которые у обычных компьютеров уходили бы тысячи лет.

Поиск новых эффективных препаратов

Благодаря неизбежному росту вычислительной мощности, предсказанной законом Мура, появилось доступное секвенирование ДНК. Но теперь мы вот-вот вступим в эпоху медицины, построенной на квантовых вычислениях.

В то время как на рынке уже и без того много хороших лекарств, скорость с которой они производятся, а также их эффективность, на диво ограничены. Даже с новейшим приростом скорости и точности, они весьма незначительны из-за ограничений стандартных компьютеров.

С организмом, столь сложным, как человеческое тело, существует бесчисленное множество способов, которыми лекарство может реагировать на окружающую среду. Добавьте к этому безграничность генетического разнообразия на молекулярном уровне, и потенциальные исходы для неспецифических лекарственных препаратов резко начинают достигать миллиардных чисел.

И только у квантовых компьютеров будет возможность изучить каждый возможный сценарий взаимодействия с препаратом и представить не только наилучший возможный план действий, но также шансы человека на успешный прием конкретного препарата — за счет комбинации более точного и ускоренного секвенирования ДНК и более точного понимания фолдинга белка.

Эти же самые нововведения, особенно в отношении фолдинга белков, также неизбежно приведут к лучшему пониманию того, как функционирует жизнь в целом, что впоследствии приведет к гораздо более точной трактовке, улучшению препаратов и улучшению результатов.

Безграничная безопасность

Помимо квантовых скачков в медицине, квантовые технологии также дают возможность создать практически невзламываемые методы кибербезопасности и сверхбезопасный обмен данными на длинных расстояниях.

В мире квантовых странностей существует явление под названием «квантовая запутанность», в которой две или более частиц соединяются загадочным образом, независимо от среды, которая существует между ними, и без какой-либо опознаваемой сигнализации. Это то, что Эйнштейн называл «жутким действием на расстоянии». И поскольку нет определенной среды, в которой связываются эти две частицы, сигналы, закодированные с использованием запутанных частиц, невозможно будет перехватить. Наука, необходимая для этой технологии, пока развита недостаточно. Однако продвижение в этом направлении окажет огромное влияние на частную и национальную безопасность.

Резко увеличившаяся вычислительная скорость также будет способствовать развитию кибербезопасности, поскольку экспоненциально большая вычислительная мощность квантовых компьютеров позволит им противостоять даже самым изощренным методам взлома, и это при помощи квантового шифрования.

«Квантовые вычисления безусловно будут применяться везде, где мы используем машинное обучение, облачные вычисления, анализ данных», говорит Кевин Карран, исследователь кибербезопасности в Университете Ольстера. «В области безопасности это означает обнаружение проникновения, поиск паттернов в данных и более сложные формы параллельного вычисления».

Квантовые компьютеры смогут предугадывать «шаги» хакеров в миллионах или миллиардах возможных итерациях.

Безграничный взлом

Конечно, с большой силой появляется и большая ответственность, и так же квантовая мощь, которая позволит осуществлять квантовое шифрование, также позволит хакерами беспроблемно взламывать самые сложные методы безопасности, которые обеспечиваются относительно примитивными машинами.

Сегодня самые сложные криптографические методы, как правило, основаны на чрезвычайно сложных математических задачах. И хотя этих препятствий достаточно, чтобы сдержать большинство бинарных суперкомпьютеров, квантовый компьютер сможет легко их обойти. Способность квантового компьютера находить закономерности в гигантских наборах данных с огромной скоростью позволит ему рассчитывать огромные числа, в то время как обычные компьютеры будут перебирать их по одному за раз. С кубитами и квантовой суперпозицией все возможные варианты будут проверяться одновременно.

Потребовалось почти два года, чтобы сотни компьютеров, работающие одновременно, смогли разблокировать один пример алгоритма RSA-768 (который имел два основных фактора и требовал ключ длиной семьсот шестьдесят восемь битов. Квантовый компьютер справится с этой задачей за секунду.

Точные атомные часы и обнаружение объектов

Атомные часы используются не только для ежедневного отсчета времени. Они являются важным компонентом большинства современных технологий, включая GPS-системы и коммуникационные технологии.

Обычно атомные часы не требуют тонкой настройки. Самые точные атомные часы работают, используя колебания микроволн, испускаемых электронами при изменении уровней энергии. А атомы, используемые в часах, почти охлаждаются для абсолютного нуля, что обеспечивает длительное время микроволнового зондирования и большую точность.

Новейшие атомные часы будут использовать современные квантовые технологии и в скором времени станут настолько точными, что их будут использовать как сверхточные детекторы объектов — они смогут чувствовать мельчайшие изменения в гравитации, магнитных полях, электрических полях, движении, силе, температуре и других явлениях, которые в природе колеблются в присутствии вещества. Эти изменения будут отражаться в изменениях времени. (Не забывайте, что время, пространство, вещество связаны между собой).

Это точно настроенное обнаружение поможет в идентификации и удалении подземных объектов, отслеживании подводных лодок намного ниже поверхности океана и даже сделает навигацию и автоматическое вождение гораздо более точными, поскольку программное обеспечение сможет лучше различать автомобили и другие объекты.

Финансовые рынки

В переплетенном мире финансов, скорость имеет первостепенное значение. И удивительно большое количество проблем, с которыми сталкивается финансовая отрасль (многие из которых связаны с нехваткой вычислительной скорости), остаются неразрешенными. Даже самые мощные обычные компьютеры, использующие 0 и 1, не могут хотя бы примерно спрогнозировать будущие финансовые и экономические события, не говоря уж о том, чтобы решить сложнейшие проблемы, связанные с ценообразованием опционов на быстро меняющемся рынке.

Например, многие опционы требуют сложных производных, зависящих от различных факторов, что означает, что выплата опциона в конечном счете определяется путем изменения цены базового актива. Попытка отобразить и предусмотреть все возможных «пути» опциона слишком сложна для современных машин. Однако, учитывая свою скорость и маневренность, квантовые компьютеры теоретически могли бы идентифицировать неверный ценовой вариант опциона на акции и использовать его для выгоды своего владельца до того, как рынок предпримет какие-либо значимые действия.

Такого рода мощь могла бы, конечно, нанести ущерб рынку и сильно поднять положение небольших фирм, владеющих и управляющих суперкомпьютером — за счет отдельных трейдеров и фирм, неспособных приобрести такие технологии.

Картирование человеческого разума

При всех удивительных достижениях, которые имели место в области нейронауки и сознания за последние несколько десятилетий, ученые до сих пор знают удивительно мало о том, как работает сознание. Но мы, впрочем, знаем, что мозг человека — одна из самых сложных вещей в известной вселенной, и чтобы понять его полностью, необходима вычислительная сила нового типа.

Человеческий мозг состоит из 86 миллиардов нейронов — клеток, которые передают небольшие биты информации за счет активации быстрых электрических зарядов. И хотя электрическая часть работы мозга понятна довольно хорошо, само сознание остается загадкой. «Задача в том», говорит нейробиолог Рафаэль Юсте из Колумбийского университета, «чтобы определить, как физическая подложка клеток, связанных внутри этого органа, относится к нашему умственному миру, нашим мыслям, памяти, ощущениям».

И в попытке понять сознание нейрофизиологи в значительной степени полагались на аналогию с компьютером, поскольку мозг превращает сенсорные данные и вводы в относительно предсказуемые результаты. И что может быть лучше для понимания работы компьютера, чем сам компьютер?

Доктор Кен Хэйворт, невролог, который картирует мышиный мозг, считает, что составление визуализации полного мозга мухи займет примерно один-два года. Но та же идея сопоставления всего человеческого мозга будет просто невыполнима без квантовых вычислений.

Поиск далеких планет

Никого не удивит, что квантовое вычисление будет широко использоваться в освоении космоса, что часто требует анализа огромных наборов данных. Используя квантовые процессоры, охлажденные до 20 милликельвинов (близко к абсолютному нулю), инженеры NASA планируют использовать квантовые компьютеры для разрешения сложнейших задач оптимизации, связанных с миллиардами данных.

Например, ученые NASA смогут использовать крошечные колебания в квантовых волнах, чтобы обнаружить мелкие, едва уловимые перепады тепла в невидимых для нас звездах и, возможно, даже черных дыр.

NASA уже использует общие принципы квантовых вычислений для разработки безопасных и эффективных методов космических путешествий — особенно когда дело доходит до отправки роботов в космос. NASA планирует посылать роботизированные миссии в космос примерно за десять лет, и среди его задач стоит использование квантовой оптимизации для создания сверхточных инструментов прогнозирования того, что может случиться за время миссии — чтобы предупредить любой возможный исход и создать план действий на каждый случай.

Более тщательное и точное планирование роботизированных миссий также приведет к более эффективному использованию батарей, которые выступают одним из основных ограничивающих факторов, когда дело доходит до роботизированных космических миссий.

Генетика

Завершение проекта генома человека в 2003 году привело к появлению новой эпохи в медицине. Благодаря глубокому пониманию генома человека, мы можем адаптировать сложные процедуры специально под конкретные потребности человека.

Несмотря на то, сколько мы уже знаем о тонкостях человеческой ДНК, мы до сих пор поразительно мало знаем о белках, которые кодирует ДНК.

Добавим квантовые расчеты, которые в теории позволят нам составлять «карту белков» так же, как мы собираем карту генов. По сути, квантовые расчеты также позволят нам моделировать сложные молекулярные взаимодействия на атомном уровне, что станет бесценным, если говорить о разработке новых методов медицинских исследований и фармацевтики. Мы могли бы смоделировать 20 000 белков и их взаимодействие с мириадами новых разных препаратов (даже тех, что еще не изобретены) с безукоризненной точностью. Анализ этих взаимодействий, опять же при помощи квантовых вычислений и продвинутых алгоритмов оптимизации, приведет нас к созданию новых методов лечения пока неизлечимых заболеваний.

Скорость квантового вычислений также позволит нам анализировать «квантовые точки» — крошечные полупроводниковые нанокристаллы размером в несколько нанометров, которые сейчас используются на передовой для лечения и обнаружения рака. Также квантовые компьютеры могли бы обнаруживать мутации в ДНК, которые пока кажутся совершенно случайными, и их связь с квантовыми флуктуациями.

Материаловедение и инженерия

Стоит ли говорить, что квантовые вычисления уже привели к массивным последствиям для материаловедения и инженерии, учитывая то, что квантовые расчеты лучше всего подходят для открытий на атомном уровне.

Сила квантовых вычислений позволит использовать все более сложные модели, которые будут отображать, как молекулы собираются и кристаллизуются с образованием новых материалов. Такие открытия, ведущие к созданию новых материалов, впоследствии приведут к созданию новых структур, имеющих последствия в сферах энергетики, борьбы с загрязнением и фармацевтических препаратов.

«Когда инженер строит дамбу или аэроплан, эта структура сперва проектируется при помощи компьютеров. Это чрезвычайно сложно проделать на молекулярном или атомарном масштабе», объясняет Грэм Дэй, профессор химического моделирования в Университете Саутгемптона. «Очень сложно проектировать на атомных масштабах с нуля и уровень неудачи в процессе обнаружения новых материалов очень высок. По мере того, как физики и химики пытаются открыть новые материалы, они часто чувствуют себя в роли путешественников без надежной карты».

Квантовые вычисления смогут обеспечить весьма «надежную карту», позволив ученым имитировать и анализировать атомные взаимодействия с невероятной точностью, что в свою очередь приведет к созданию совершенно новых и более эффективных материалов — без проб и ошибок, неизбежно возникающих при попытке построить новые материалы в более широком масштабе. Это означает, что мы сможем найти и создать лучшие сверхпроводники, более мощные магниты, лучшие источники энергии и многое другое.

hi-news.ru

Курс «Квантовые технологии»

С чего все начиналось

В самом начале XX века в физике господствовали детерминистические представления о мире: казалось, что задав начальные условия, ученые уже скоро смогут описать, как развивалась Вселенная, и спрогнозировать, что будет в будущем. Нерешенных задач оставалось совсем немного: например, физики не понимали, по каким законам абсолютно черное тело излучает свет. Эту задачу решил Макс Планк и своим решением перевернул все существовавшие тогда взгляды. Оказалось, что излучение не непрерывно: оно излучается маленькими порциями, квантами. Это и положило начало новой области физики — квантовой механике.

«Квантовая механика так привлекательна и интересна, потому что содержит внутри себя множество на первый взгляд контринтуитивных и парадоксальных концепций», — рассказывает Федоров. Например, парадоксальным кажется явление суперпозиции. В отличие от человека, который если уж находится в каком-то месте, то он находится только там и больше нигде, квантовая частица до момента наблюдения может находится во всех возможных состояниях одновременно.

Другой пример — это двухщелевой эксперимент. «Представьте себе, что у нас есть квантовая частица — фотон или электрон, которая налетает на плоскость с двумя щелями. Мы наблюдаем лишь за экраном, расположенным за этими двумя щелями и видим интерференционную картину, — рассказывает Федоров, — Нам привычней думать, что фотон или электрон — это какая-то частичка, однако в двущелевом эксперименте она ведет себя как волна — она интерферирует». Впрочем, как только мы попытаемся пронаблюдать за тем, в какую именно щель влетает электрон, он тут же начинает вести себя как частичка и интерференционная картина пропадает.

Подробнее о парадоксах, которые могут быть использованы для создания новых технологий:

Квантовая запутанность

После открытия квантовой механики ученые наконец-то смогли описать многие прежде не до конца понятные физические явления. «Одним из наиболее ярких проявлений применения законов квантовой физики к описанию наблюдаемых явлений являлся фотоэлектрический эффект. Работа по фотоэлектрическому эффекту была написана Альбертом Эйнштейном, — рассказывает Федоров — Несмотря на то, что из этого можно сделать вывод, что Альберт Эйнштейн является одним из первых ученых, применивших квантовую физику для описания наблюдаемых явлений, он идеологически был ее противником».

Чтобы продемонстрировать неполноту квантовой механики, Эйнштейн в соавторстве с Подольским и Розеном описал следующий мысленный эксперимент. Допустим, что у нас была частица, которая распалась на две. Одну из новых частиц мы отправили в Туманность Андромеды, а вторую оставили в лаборатории на Земле. Параметры исходной частицы были известны, а для получившихся частиц мы их не знаем до тех пор, пока не проведем измерение. Однако вот парадокс: если измерить параметры частицы в лаборатории, то мы тут же, мгновенно, узнаем состояние частицы из далекой туманности. Получается, что информация будто бы передается быстрее, чем со скоростью света, а частицы проявляют так называемые нелокальные корреляции или свойство квантовой запутанности.

В действительности, никакого парадокса здесь нет: чтобы узнать результаты эксперимента мы пользуемся обычными средствами коммуникации, передающими информацию со скоростью меньшей, чем скорость света. Кроме того, кажущееся парадоксальным и не имеющее аналогов в классической физике свойство квантовой запутанности действительно наблюдается в экспериментах и может быть использовано, например, в квантовых линиях связи.

О квантовой запутанности — второе видео курса «Квантовые технологии»:

Телепортация

Когда речь заходит о телепортации, мы представляем себе фантастическую картину: человек мгновенно перемещающегося в пространстве. В квантовой физике тоже существует концепция телепортации, которая, в отличие от телепортации людей, вполне реальна. Правда, при этом из одного места в другое переносится не сам объект, а информация о его квантовом состоянии. «В некотором смысле, в квантовой физике нет различия между тем, чтобы перенести физический объект из одной точки в другую или каким-то образом воспроизвести состояние системы из точки А в точке Б», — поясняет Федоров.

Самый простой возможный эксперимент — это телепортация света, потому что свет передается с большой скоростью и, по крайней мере в вакууме и в воздухе, не взаимодействует сам с собой. Однако эксперименты по телепортации породили гонку между различными лабораториями мира. Научные группы соревнуются как в дальности телепортации, так и в сложности телепортируемых систем. Например, несколько лет назад стали популярны эксперименты по телепортации не единичных частичек света, фотонов, а целых атомных ансамблей.

Квантовая телепортация — это не только красивый пример парадоксальности квантовой механики, ее также можно использовать для создания новых технологий. «Одно из наиболее интересных приложений квантовой телепортации — это квантовые коммуникации, то есть возможность обмениваться информацией так, чтобы эта информация на уровне фундаментальных законов физики не была доступна злоумышленникам, — рассказывает Федоров. — Основная проблема квантовых коммуникаций — это расстояние. Одной из технологий, которая может лежать в основе удлинения этих линий связи, является квантовая телепортация».

Подробнее о квантовой телепортации смотрите в видео:

Квантовые симуляторы

Настало время перейти от свойств квантовых систем к их возможным технологическим применениям. С каждым годом компьютеры становятся все мощнее и мощнее, а их составные элементы — все меньше и меньше. Но всему есть предел: ученым вряд ли когда-нибудь удастся сделать элементы компьютера, например, транзисторы, размером меньше, чем один атом. Встает вопрос: что делать дальше? С одной стороны, можно идти проверенным путем и продолжать делать транзисторы все меньше и меньше — и так до предела. Однако в такой миниатюрной системе квантовые эффекты начинают вступать в игру. Именно они и открывают перед исследователями новые горизонты: быть может, с их помощью удастся сделать компьютеры совершенно нового типа?

Вспомним, что в обычном компьютере информация хранится в виде битов, которые принимают только два значения: либо ноль, либо один. Но квантовая система может находится в состоянии суперпозиции, то есть во всех возможных состояниях одновременно: например, квантовый бит может принимать значения «ноль» и «один» в один и тот же момент. «То есть это будет компьютер, на базовом уровне которого заложен некоторый параллелизм», — рассказывает Федоров.

Разумеется, такие компьютеры могут быть полезны в решении многих математических задач, но впервые о вычислительной системе квантового типа заговорили в связи с изучением свойств материалов. В твердом теле атомы и молекулы выстраиваются в строго определенном порядке, образуя кристаллическую решетку, внутри которой движутся электроны. Рассчитать поведение электронов в такой системе напрямую достаточно сложно, однако, ученые нашли выход, сымитировав ее с помощью света и атомов. Это и есть простейший квантовый вычислитель или, как его еще называют, квантовый симулятор.

С его помощью ученые пытаются найти материалы с новыми свойствами, например, с высокотемпературной сверхпроводимостью. Когда материал становится сверхпроводящим, он может проводить электрический ток без потерь. Сегодня известно, как сверхпроводимость возникает при очень низкой температуре, но ученые не перестают мечтать о том, чтобы сделать сверхпроводник, сохраняющий свои уникальные свойства даже при комнатной температуре. В поисках таких соединений уже сегодня помогают квантовые симуляторы.

Подробнее:

Квантовый компьютер

Хотя квантовые симуляторы очень помогают физикам, их еще нельзя назвать настоящими квантовыми компьютерами. Ведь универсальный компьютер должен уметь решать не одну, а целое множество различных задач. Причем, в силу квантового параллелизма вычислений, с некоторыми задачами квантовый компьютер должен справляться гораздо быстрее классического. Например, к таким задачам относится разложение числа на простые множители. Современные компьютеры справляются с этой задачей достаточно медленно, из-за чего ее часто используют для передачи ключа при шифровании: пока неповоротливый компьютер злоумышленника будет искать решение, ключ потеряет свою актуальность. Однако появление шустрого квантового компьютера могло бы, по словам Федорова, «полностью изменить игру в квантовую безопасность».

Разумеется, это привлекло огромный интерес к квантовым компьютерам. Однако создать такой компьютер очень и очень сложно, ведь, как мы помним из предыдущих лекций, состояние суперпозиции, которое делает квантовый компьютер таким уникальным, легко разрушается при наблюдении или взаимодействии с окружением. Опыт же говорит нам, что для работы компьютера его элементы обязаны взаимодействовать между собой. Получается, что квантовые биты — кубиты — необходимо изготовить и соединить таким образом, чтобы они могли общаться между собой и при этом не выходить из состояния суперпозиции.

Как это сделать? Ученые полагают, что лучше всего изготавливать квантовые биты из маленьких кусочков сверхпроводника. Однако компьютер — это не только процессор, но и память, и каналы передачи информации. И, если для создания процессора больше всего подходит сверхпроводник, то для передачи информации — частички света, фотоны, а для ее хранения — атомные ансамбли. «Таким образом, мы приходит к парадигме гибридного квантового компьютера, где каждый структурный элемент может быть создан при помощи различных физических систем», — рассказывает Федоров.

Больше о задачах и структуре квантового компьютера смотрите в видео:

Квантовые сенсоры

Квантовая система очень хрупкая — взаимодействие с окружением легко меняет ее состояние. Это мешает создателям квантовых компьютеров, однако, быть может, этому свойству тоже найдется применение? Ведь если система очень чувствительна к любым изменениям в окружающей среде, из нее выйдет отличный прибор для измерения этих изменений или, проще говоря, сенсор.

Например, такие сенсоры очень пригодятся в медицине, ведь с их помощью можно будет отслеживать, как передаются сигналы в отдельных нейронах или что происходит в разных частях клетки. «Однако этим применение квантовых сенсоров не ограничивается, — добавляет Федоров. — Квантовые сенсоры, например, можно встраивать в материалы на уровне их создания... И можно в режиме реального времени отслеживать процессы, например, старения материалов на очень-очень детальном уровне».

Кроме того, с помощью квантовых сенсоров можно будет сделать более точные приборы, например, для измерения времени. А это, в свою очередь, позволит куда точнее следить за перемещениями в пространстве: это и GPS, определяющий ваше местоположение с точностью до сантиметров, и более надежное позиционирование для беспилотных автомобилей.

Получается, что уже сегодня квантовые сенсоры востребованы в совершенно различных областях. Больше примеров — в видео:

Криптография и связь

chrdk.ru

Квантовая технология - это... Что такое Квантовая технология?

Квантовая технология

Квантовая технология - область физики и разработки, в которой используются специфические особенности квантовой механики, прежде всего квантовая запутанность. Цель квантовой технологии состоит в том, чтобы создать полезные устройства, основанные на квантовых принципах, к которым обычно относят следующие:

Дискретность (квантованность) уровней энергии (квантово-размерный эффект, квантовый эффект Холла)
Принцип неопределённости Гейзенберга
Квантовая суперпозиция чистых состояний систем
Квантовое туннелирование через потенциальные барьеры
Квантовую сцепленность состояний

К возможным практическим реализациям относят квантовые вычисления и квантовый компьютер, квантовую криптографию, квантовую телепортацию, квантовую метрологию, квантовые сенсоры, и квантовые изображения.

Литература

Deutsch D., Physics, Philosophy, and Quantum Technology, in the Proceedings of the Sixth International Conference on Quantum Communication, Measurement and Computing, Shapiro, J.H. and Hirota, O., Eds. (Rinton Press, Princeton, NJ. 2003)

См. также

Квантовая нанонаука

Ссылки

Категория:

Квантовая физика

Wikimedia Foundation. 2010.

Теория Янга
Квантовая томография

Смотреть что такое "Квантовая технология" в других словарях:

Квантовая нанотехнология — Квантовая нанотехнология область исследований нанотехнологий, основанных на квантовой теории. В квантовых нанотехнологиях основное внимание уделяется использованию квантовым феноменам в наноматериалах и наносистемах. При этом квантовая… … Википедия
Квантовая криптография — Квантовая криптография метод защиты коммуникаций, основанный на принципах квантовой физики. В отличие от традиционной криптографии, которая использует математические методы, чтобы обеспечить секретность информации, квантовая криптография… … Википедия
Квантовая медицина — Квантовая медицина направление в медицине, использующее электромагнитное излучение низкой интенсивности для лечения, диагностики и профилактики заболеваний (Словарь современного английского языка, Оксфорд,2006). Квантовая медицина охватывает все … Википедия
КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА — область физики, изучающая методы усиления и генерации эл. магн. колебаний и волн, основанные на использовании вынужденного излучения, а также св ва квант. усилителей и генераторов и их применения. Практич. интерес к оптич. квант. генераторам… … Физическая энциклопедия
квантовая электроника — область физики, занимающаяся изучением и разработкой методов и средств усиления и генерации электромагнитных колебаний на основе эффекта вынужденного излучения атомов, молекул и твёрдых тел. К квантовой электронике относятся все квантовые… … Энциклопедия техники
Принц-технология — Принц технология метод формирования трёхмерных микро и наноструктур, основанный на отделении напряжённых полупроводниковых плёнок от подложки и последующего сворачивания их в пространственный объект. Технология названа в честь учёного… … Википедия
Список новых перспективных технологий — содержит некоторые из самых выдающихся текущих событий, достижений и инноваций в различных областях современной технологии. Новые технологии это те технические нововведения, которые представляют прогрессивные изменения в рамках области… … Википедия
Квантовый робот — Квантовый робот гипотетическое квантовое устройство, представляющее собой подвижную квантовую наносистему со встроенным квантовым компьютером и системами взаимодействия с окружающей средой[1]. Первую модель квантового робота предложил Поль… … Википедия
Квантовое распределение ключа — Квантовая криптография метод защиты коммуникаций, основанный на определенных явлениях квантовой физики. В отличие от традиционной криптографии, которая использует математические методы, чтобы обеспечить секретность информации, квантовая… … Википедия
СССР. Естественные науки — Математика Научные исследования в области математики начали проводиться в России с 18 в., когда членами Петербургской АН стали Л. Эйлер, Д. Бернулли и другие западноевропейские учёные. По замыслу Петра I академики иностранцы… … Большая советская энциклопедия

dic.academic.ru

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».

naukatv.ru

Развитие квантовых технологий - последствия

Учитывая невероятныйпотенциал квантовых технологий, будет нелишним заявить, что те, кто овладеет этой технологий в будущем, будут иметь существенное преимущество перед теми, кто не овладеет — и касается это политики, финансов, безопасности и многих других сфер. Компании вроде Amazon, Microsoft и Intel с нетерпением ждут внедрения квантовой криптографии, поскольку опасаются, что хакеры постараются добраться до квантовых возможностей и обрушить системы безопасности этих компаний.

Перед вами десять невероятных последствий внедрения квантовых технологий.

Экспоненциальное увеличение вычислительной скорости

Поиск новых эффективных препаратов

Безграничная безопасность

Квантовые компьютеры смогут предугадывать «шаги» хакеров в миллионах или миллиардах возможных итерациях.

Безграничный взлом

Точные атомные часы и обнаружение объектов

Финансовые рынки

Картирование человеческого разума

Поиск далеких планет

Генетика

Материаловедение и инженерия

tehnowar.ru

Ведущий физик: «Квантовые компьютеры – инструмент разрушения, а не созидания»

Квантовые компьютеры рассматриваются IT-индустрией в качестве следующего шага эволюции технологий обработки цифровой информации. Будущее этой технологии обещает инструмент, который сможет превзойти любую современную нынешнюю компьютерную систему, позволяя обрабатывать гораздо быстрее и в то же время гораздо больше информации, чем любой, даже самый мощный суперкомпьютер.

Однако в настоящий момент большая часть научного сообщества, вовлеченная в такие разработки, сосредоточена на конечном результате, который может предоставить нам квантовая система. Мы понимаем, что квантовые компьютеры будут очень эффективны в обработке информации, но с каким именно типом данных эта система будет эффективна? И что интересно, такая неопределенность порождает довольно интересные вопросы о самом потенциале такого инструмента.

В прошлом месяце самые светлые умы сферы разработок квантовых технологий и исследований собрались на очередной Международной конференции по квантовым технологиям, проходившей в Москве. Порталу Futurism тоже удалось побывать на выставке и пообщаться с некоторыми учеными о том, как их работа приближает нас к настоящим квантовым компьютерам и какое воздействие такие разработки возымеют на общество.

Один из самых интересных вопросов обсуждения был поднят Александром Львовским, руководителем научной группы квантовой оптики при Российском Квантовом Центре и профессором физики Университета Калгари (Канада). Как сообщает источник, в разговоре за ужином Львовский заявил, что квантовые компьютеры являются скорее инструментом уничтожения, а не созидания.

Так что же не так с квантовыми компьютерами, что очень видный ученый делает подобные заявления? Все в общем-то сводится к одной-единственной вещи, которая, кстати, является одним из потенциальных преимуществ, которые может нам предоставить квантовая технология — революции в современной криптографии.

С огромной силой приходит и огромная ответственность

Сегодня любая чувствительная информация, пересылаемая через Интернет, кодируется для защиты вовлеченных в эту пересылку частных сторон. Тем не менее в мире, в котором существуют хакеры, даже самое сложное шифрование рано или поздно дает слабину, и свидетелями таких примеров мы уже становились не раз. По мнению Львовского, процесс этого взлома благодаря квантовым вычислениям лишь еще сильнее упростится и станет гораздо быстрее.

Ученый отмечает, что ни один метод шифрования, существующий на сегодняшний день, не сможет устоять против вычислительной мощности квантового компьютера. Медицинские записи, финансовая информация, каждый секрет государства и военных организаций будет в таком случае лежать буквально на блюдечке с голубой каемочкой перед любым желающим. Другими словами, технология обладает потенциалом создать угрозу для всего мира. И что интересно, с мнением Львовского соглашаются другие эксперты.

«В какой-то степени он прав. Если попытаться принять нынешние «квантовые компьютеры» за реальные компьютеры, то на самом-то деле многого вы не добьетесь. Однако очень скоро это может измениться», — прокомментировал Венджамин Розенфельд, профессор физики Мюнхенского университета в интервью тому же Futurism.

Чтобы окончательно разобраться, следует указать, что к настоящему моменту создано только два квантовых алгоритма. Один позволяет квантовому компьютеру проводить поиск в базе данных, другой – алгоритм Шора, раскладывает числа на простые множители и может использоваться квантовым компьютером для взлома шифрования.

Примечательно, что во время конференции соучредитель Российского Квантового Центра Михаил Лукин, глава научной группы Лаборатории квантовой оптики Гарвардского университета, объявил о том, что создал и успешно протестировал 51-кубитный квантовый компьютер и в дальнейшем собирается использовать его для запуска алгоритма Шора.

Владимир Шалаев, являющийся членом международного консультативного совета Российского Квантового Цента и профессором электрической и компьютерной инженерии Университета Пердью, использует более тонкий подход к этому вопросу, говоря о том, что квантовые вычисления – это инструмент не разрушения или создания. Это все вместе.

«Я бы с ним не согласился. Думаю, я бы сказал, что любой новый научный или технологический прорыв может привести как к хорошим, так и плохим последствиям».

В качестве примера Шалаев привел лазерную технологию.

«Лазеры изменили наши жизни. Методы нашей коммуникации проникли в медицину, используются в машиностроении. Но они также используются и для наведения ракет, чтобы уничтожать здания, технику и людей. Но мне кажется, что такова жизнь. Ничто не рождается исключительно с хорошими намерениями, всегда где-то скрывается что-то плохое. Я не думаю, что квантовые технологии – это деструктивные технологии. Они также могут быть и конструктивными».

В словах Шалаева есть доля истины. Те же ядерные технологии изначально разрабатывались в качестве деструктивных. Но после войны люди освоили мирный атом и стали применять его во многих сферах, включая энергетику, медицину, сельское хозяйство и множестве других. Квантовые компьютеры, конечно, вряд ли будут обладать физически разрушительными эффектами, как та же ядерная бомба, но их потенциал в отношении шифрования является прямым цифровым эквивалентом, что заставляет разбирать этот вопрос даже на такой весьма очевидной ранней стадии.

Что хорошего из этого получится?

Если квантовые компьютеры обладают таким опасным потенциалом, то почему все за ними гонятся? Как отмечает Лукин, потенциал применения квантовых технологий выходит далеко за рамки взлома шифрования. Возможности могут открыться по-настоящему впечатляющие и удивительные.

Например, по мнению Лукина, имеется огромный потенциал в разработке квантовых сенсорных технологий.

«Мы получим возможность изменить сферу медицинской диагностики, где некоторые задачи, требующие использования огромным лабораторий, будут проводиться с помощью устройств размером с iPhone. Только представьте, какую пользу это принесет развивающимся частям света, той же Африке. Это позволит существенно повысить эффективность, скорость и в то же время простоту проведения диагностирования и подбор необходимых лечебных методов. Я уверен, что воздействие на общество со стороны данной технологии будет огромным», — объяснил Лукин.

Кроме того, вычислительная мощь квантовых компьютеров может позволить исследователям искусственного интеллекта (ИИ) совершить новые шаги в развитии. Вполне возможно, что это позволит развить эту сферу настолько, что ИИ станет частью ответа к проблемам, которые описывает Львовский.

Лукин соглашается:

«Я убежден, что к тому моменту, как квантовые компьютеры начнут взламывать шифрование, мы сможем создать новые методы классического шифрования, новые схемы, полученные на основе квантовых вычислений, на основе квантовой криптографии».

Как и в случае лазеров и ядерного оружия, ученые, вовлеченные в создание квантовых компьютеров, не могут предсказать полную перспективу использования этой технологии. Есть очень много сфер, где такая технология могла бы найти свое применение.

hi-news.ru

От однофотонных детекторов к национальным квантовым сетям: как развиваются квантовые технологии в России?

В ближайшие два года учёные разработают квантовую элементарную базу в виде лабораторного и научно-исследовательского оборудования, капитализация которых составит $650 млн в год. Такие прогнозы 1 марта озвучил Кирилл Разгуляев, научный руководитель Центра научно-технологического форсайта ИТМО на Quantum Technology Conference.

Наука и жизнь // Иллюстрации

‹

›

В начале весны этого года в Москве собрались инженеры, разработчики, научные сотрудники, чтобы рассказать о монетизации квантовых технологий и прояснить, какой этап второй квантовой революции проходит человечество и Россия в частности, а также как изменится мир благодаря новым разработкам.

Квантовой технологией называют технологию, основанную на квантовой физике. Но ей уже более 70 лет (транзисторы, лазеры и вся полупроводниковая электроника, на них построенная). Почему тогда об этой технологии говорят в будущем времени? Таким вопросом открыл конференцию профессор физического факультета Университета Калгари, член научного совета Российского квантового центра (РКЦ), редактор журнала Optics Express Александр Львовский и тут же прояснил его.

Сейчас речь идёт о технологии второй квантовой революции – управлением сложными квантовыми системами на уровне их элементарных компонентов (квантовый компьютер, квантовая криптография, квантовые датчики).

Капитализация рынка квантовых технологий

По словам Львовского, в создание квантового компьютера активно вкладывают четыре компании:Google ($100 млн), Intel ($50 млн), IBM ($100 млн), AlibabaGroup ($150 млн). Первая тройка реализовала «квантовые компьютеры» (Google – 49 кубит, IBM – 16 кубит, Intel (Intel Core Quantum) – 50 кубит), но специалист сказал, что никого из них нельзя считать победителем квантовой гонки.

«Современные кубиты быстро теряют когерентность, не могут хранить информацию, – отметил он. – Главная задача на сегодня – создать хотя бы один логический кубит, который состоит из физических кубитов и может хранить информацию сколь угодно долго посредством коррекции ошибок».

Данными общего рынка капитализации квантовых технологий также поделился физик-теоретик, сотрудник Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики (ИТМО) Антон Козубов. Он привёл данные двух аналитических агентств:

• $845 млн – объём рынка квантовых коммуникаций в 2015 г. по данным Global Industry Analysts; • $26 млрд – рынок квантовых вычислений в 2015-2020 гг., прогноз Market Research Media.

Коммерциализация квантовых технологий в России

Начинается с 2017 года, отметил Львовский. РКЦ при поддержке Газпромбанка, ВЭБ, Сбербанка разработал квантовый блокчейн, в котором цифровые подписи заменены протоколами попарной аутентификации на основе квантовой криптографии, а конструкция «блоков» децентрализована по всей сети.

Однако завкафедрой квантовой оптики и телекоммуникаций МИЭМ НИУ ВШЭ, профессор Григорий Гольцман привёл примеры коммерциализованных разработок основанной им ещё в 2004 году компании «СКОНТЕЛ»: двухканальную систему регистрации оптических фотонов и приёмную систему терагерцового излучения.

Он отметил, что работы над квантовыми технологиями в России начались 17 лет назад:

«Важно не только пофантазировать о будущем, но и спуститься на землю и поговорить о том, как в небольшой группе российского университета МИЭМ делают свою квантовую технологию с 2001 года».

Тогда им удалось создать сверхпроводящий однофотонный детектор SSPD.Новое развитие технологии, по словам Гольцмана,началось с установки SSPD на оптический волновод и получения квантовых оптических интегральных микросхем. Применение оптического волновода увеличило эффективность регистрации фотонов до 91% от общего количества.

«Это может стать одним из шагов для создания оптических компьютеров», – сказал он.

Дорожная карта развития квантовых технологий в России

Руководитель проекта Фонда перспективных исследований (ФПИ) Алексей Заблоцкий представил дорожную карту развития технологий квантовой обработки информации в Российской Федерации, согласно которой горизонт планирования установлен на 2030 год. Она выделяет ключевые направления:

1. Квантовые вычисления и квантовое моделирование. 2. Квантовые коммуникации и квантовая криптография. 3. Квантовые стандарты частоты. 4. Квантовые датчики.

Кроме того, в рамках программы «Цифровая экономика РФ», предусматривающей развитие квантовых технологий в частности, при финансировании РОСАТОМа, ФПИ и Минобрнауки РФ запущен пилотный проект (шифр «Лиман» 2016-2020 гг.) по развитию технологий сверхпроводниковых кубитов.

Заблоцкий также рассказал о новой разработке магистрального шифратора на 10 Гб/с с квантовым каналом, соответствующего временным требованиям к квантовым криптографическим системам СКЗИ для коммерческой тайны, утверждённым ФСБ РФ в июне 2017-го.

Технологии квантовой коммуникации

В этой области удалось достичь больших успехов, чем в изобретении универсального квантового компьютера. Александр Львовский рассказал, что уже сегодня существуют три варианта реализации квантовой коммуникации:

1. по оптоволокну – серверы связаны по уже существующим каналам коммуникации. 2. по открытому пространству –по оборудованию сотовых операторов. 3. по спутниковой связи – обмен квантовым ключом шифрования с наземной станцией и орбитальным спутником.

Из выступления Кирилла Разгуляева стало ясно, что безоговорочный лидер в этом плане – Китай. В стране работает сеть Пекин-Шанхай протяжённостью 2000 км с 32 узлами. А благодаря квантовой спутниковой станции спутниковая была установлена сеть Пекин-Вена.

Что касается России, то системами квантовой коммуникации поделился Антон Козубов. В Университете ИТМО создали защищённый оптический маршрутизатор SCWQC моделированного излучения с квантовой рассылкой ключа на боковых частотах. Его внедрили в Санкт-Петербурге (квантовая сеть Университета ИТМО), Казани (коллаборация с телеком-оператором) и Самаре (коллаборация с ИТ-инфраструктурой).

Национальная квантовая сеть

Помимо локальных квантовых сетей, в России ведутся работы по созданию национальной квантовой сети. Так, коммерческий директор АО «СМАРТС» Игорь Наливайко рассказал о двух проектах компании, которые лягут в основу глобального – построения национальной квантовой сети, составной части «Евразийского квантового пути»:

• проект «Создание автодорожных телекоммуникационных сетей», предусматривающий прокладку магистральных ВОЛС в обочину автомобильных дорог протяженностью приблизительно 150 тыс. км на территории 85 субъектов РФ. • проект «Создание системы управления географически распределенными центрами обработки данных», который обеспечит контроль доступа к информационным каналам, что повысит уровень информационной безопасности и решит задачи импортозамещения.

Заключение

Гости Quantum Technology Conference также узнали о других направлениях квантовых технологий, которые можно монетизировать. К примеру, о квантовых эмуляторах для понимания физики материалов или о квантовых датчиках, способных полностью понять биологические процессы.

А вывод, к которому пришли все посетители форума, можно сформулировать цитатой из доклада Александра Львовского:

«Изменения в нашей жизни, к которым приведёт развитие квантовых технологий, сравнимы по масштабу революционности с теми, которые полупроводниковая электроника вызвала во второй половине XX века».

Организатор мероприятия, компания Smile-Expo, благодарит за информационную поддержку телеканал «Наука ТВ», издания «Русская Планета», «Наука и Жизнь» и других медиапартнёров конференции, и приглашает на другие события, посвящённые внедрению инноваций в бизнес. Подробности на сайте >>>https://www.smileexpo.ru

www.nkj.ru