Квантовые технологии. Доступно )

   Квантовые технологии давно применяются в жизни, просто это немного не те квантовые технологии. Во второй половине двадцатого века в результате «первой квантовой революции» появились технологии, использующие квантовые эффекты. Но они были построены на коллективных физических свойствах больших ансамблей частиц вещества или света. Самый громкий пример — атомная бомба. Без квантовой механики не сделать ни бомбу, ни ядерный реактор. Второй яркий пример — все, что связано с полупроводниками. Гаджеты, от телевизора до любого типа компьютера, напичканы разного рода полупроводниковыми устройствами, свойства и технологии производства которых опираются на законы квантовой механики. С этой точки зрения квантовые технологии окружают нас повсюду.

   С конца XX века мир находится на пороге «второй квантовой революции», которая может оказать на мир еще большее влияние. Ее ключевое отличие от «первой квантовой эволюции» заключается в способности управлять сложными квантовыми системами на уровне отдельных частиц, например, атомов и фотонов. Технологии, основанные именно на таком высоком уровне контроля над индивидуальными квантовыми объектами, принято объединять термином «квантовые технологии».

   Индивидуальные квантовые объекты - это отдельные атомы, отдельные ионы, отдельные электроны, отдельные фотоны. Например, чтобы построить квантовый компьютер, нужно найти такие физические системы, которые основаны на свойствах отдельного атома, и научиться этими свойствами управлять — манипулировать, как говорят физики. Необходимо научиться буквально подвешивать в вакууме отдельный атом, научиться к нему обращаться с помощью, например, состояния света — управляя пучком света, направленным на этот атом. Нужно научиться управлять эволюцией этого атома. В квантовой физике тоже есть термин «эволюция» — это развитие во времени состояния квантового объекта. Нужно научиться считывать состояние этого атома, потому что в процессе эволюции он приобретает новые свойства и состояние. И надо уметь это состояние правильно измерять. А измерить значит превратить свойства индивидуального квантового объекта в какие-то понятные нашему классическому миру показания приборов. В общем, это чрезвычайно сложная задача с точки зрения физики и технологии.
   Сегодня КТ начинают играть все более важную роль в вопросах национальной безопасности, а также в таких стратегически важных отраслях, как информационные технологии и медицина. Квантовые технологии востребованы для дальнейшего прогресса во всех стратегических направлениях цифровой экономики, например, для развития искусственного интеллекта в долгосрочной перспективе. Несмотря на то что квантовые технологии обладают большой научной составляющей, этот факт не является препятствием для их быстрого развития и внедрения в индустрию. КТ делятся на три основных субтехнологии.

   Квантовые вычисления – новый класс вычислительных устройств, использующий для решения задач принципы квантовой механики. Прогнозируется, что в целом ряде задач квантовый компьютер будет способен дать многократное ускорение по сравнению с существующими суперкомпьютерными технологиями. Примерами являются сферы кибербезопасности, искусственного интеллекта и создание новых материалов.

  Квантовые коммуникации – технология криптографической защиты информации, использующая для передачи ключей индивидуальные квантовые частицы. Главное преимущество квантовых коммуникаций – защищенность информации, гарантированная законами физики.
   Квантовые сенсоры и метрология – совокупность высокоточных измерительных приборов, основанных на квантовых эффектах. Высокая степеньнтроля над состояниемотдельных микроскопических систем позволяет создавать сверхточные квантовые сенсоры с пространственной разрешающей способностью, сравнимой с размером одиночных атомов, а также высокоточные атомные часы.
   Наиболее близкой к коммерческим применениям является технология квантовых
коммуникаций, которая уже понятна рынку.
   КТ в значительной мере основываются на достижениях фундаментальной науки. е Нобелевские премии по физике советских и российских ученых связаны с достижениями в области квантовой физики. Научная школа значительно пострадала из–за массового отъезда ученых за границу в 90–х и 2000–х годах, что, однако, сформировало в области квантовой физики сильнейшую русскоговорящую международную научную диаспору.

   Квантовые технологии относятся к приоритетным направлениям научно–технологического развития и были упомянуты Президентом РФ В.В. Путиным в Ежегодном Послании Федеральному Собранию в 2016 году.

 — Настоящие квантовые компьютеры еще не существует? Или существуют, но плохие?
— Существуют. И у Google есть свой квантовый компьютер, и у IBM — они соревнуются. Но пока эти компьютеры решают задачи, совершенно бесполезные для народного хозяйства и обычных пользователей. Это задачи демонстрационные, их цель — показать, что квантовый компьютер в принципе можно построить и создать алгоритмы, с помощью которых он решает эти задачи гораздо быстрее, чем самый мощный классический компьютер.  

— Откроют ли квантовые компьютеры новые перспективы в области разработок искусственного интеллекта?
— Конечно! Искусственный интеллект во многом опирается на большие данные, а их надо как-то структурировать, анализировать, преобразовывать. Здесь очень сильно поможет та самая оптимизация, о которой мы говорили.
— Как будут выглядеть программы для квантовых компьютеров?
— Первые языки программирования для квантовых компьютеров уже созданы — это вполне обычный софт. Главные проблемы пока с «железом», а программы для него вовсю разрабатываются, в том числе во многих местах в России.

   Защищённые квантовые каналы связи есть уже сейчас. Используют как системы с квантовой запутанностью, так и протокол измерения и подготовки. Гарантированно защищенная связь крайне востребована как военными, так и крупными банками. В промышленной эксплуатации пока системы не используются.

   Гонка в области квантовых вычислений и квантовой криптографии сравнима с Манхэттенским проектом. Единых стандартов и подходов нет, будущие архитектурные лидеры пока неочевидны. Но уже сейчас крупные частные корпорации, вроде Google и IBM, готовы предоставлять для удалённых вычислений свои квантовые компьютеры по модели Iaas и PaaS. По мере наработки опыта в этой сфере идёт массовая оптимизация и удешевление.