Гонка квантовых технологий в самом разгаре: почему России нужно прийти первой

Какое применение есть у квантовой технологии

Елена Коваленко

19 января, 2018 15:25

3 мин

Для обычных людей квантовые технологии – что-то из области не то чтобы фантастики, но чего-то далёкого, сложного и непонятного. Однако когда узнаёшь, что за последние три года инвесторы вложили в них $147 млн, а правительства государств мира – $2,2 (в частности, $550 млн от Евросоюза – по данным Фонда «Центр стратегических разработок «Северо-Запад»), то как минимум задаёшься вопросом: «Зачем?»

И выясняешь, что, во-первых, квантовые технологии – это интересно, а во-вторых – уже сделано немало и вообще нас ждёт новый мир по мотивам «Интерстеллара» и «Футурамы» в ближайшие 20 лет. Иными словами, вкладывать средства есть во что.

Квантовые направления, в которые вливают миллиарды

Согласно отчёту ЦСР «Северо-Запад», в области квантовых технологий выделяют три основных направления: квантовые вычисления, квантовые сенсоры и квантовые коммуникации. Все они играют большую роль в развитии других отраслей. Причём не просто большую, а способную произвести революцию. Так, кстати, возникло понятие квантовой гонки: кто первым произведёт переворот – тот займёт нишу и получит доход, многократно превышающий вложенные финансы.

А теперь более конкретно.

Квантовые вычисления (КВ) – это направление, дающее развитие тем самым сверхмощным квантовым компьютерам. Их совершенствование поможет реализовать алгоритмы, с которыми не справятся традиционные ПК, а квантовая память по объемам достигает впечатляющих размеров. Всё дело в кубитах – ячейках хранения информации в квантовом компьютере, способных записывать два значения (0 или 1) параллельно и, соответственно, выполнять сразу несколько операций. Но учёным есть над чем работать, так как поддерживание квантового состояния кубитов возможно только на сверхнизких температурах, что дорого и громоздко.

Квантовые сенсоры (КС) – это сверхточные и чувствительные приборы, использование которых улучшит системы навигации, сигнализации и не только. Квантовые сенсоры на дефектных алмазах повысят точность магнитокардиографии и пригодятся в медицине, а квантовые многоспектральные ретрансляторы помогут передавать и принимать сигналы там, куда не доходят электромагнитные волны.

Квантовые коммуникации (КК) – это про более быструю и надёжную передачу данных. Здесь речь идёт о квантовом Интернете с невзламываемым соединением – его появлению особенно обрадуются банки, гос- и военные структуры. Кроме того, в понятие КК входит и беспроводная оптическая связь, обеспечивающая передачу данных в открытом пространстве на огромные расстояния благодаря квантовой… телепортации! Нет, это не фантастика.

«А что вообще в мире делается?» Воплощение в реальность

2017 год принёс миру ряд поразительных достижений в области квантовых технологий. Существенный вклад, как обычно, сделали США и Китай, но не без помощи других стран.

Компания IBM показала анонсированный в ноябре квантовый компьютер на 50 кубитов. Он представляет собой большую конструкцию с множеством трубок, насосов и проводков, поддерживающих систему в охлаждённом состоянии и отправляющих сигналы квантовому процессору. Эти же трубки изолируют его от электромагнитных и тепловых шумов.

Команда исследователей из Гарварда и MIT, возглавляемая основателем Российского квантового центра (РКЦ) Михаилом Лукиным, пошла ещё дальше: на ICOT-2017 Лукин объявил о создании квантового компьютера на 51 кубит.

Китай впечатлил расстоянием. Во-первых, учёные из Шанхайского университета телепортировали фотон на единственный спутник квантовой коммуникации QSS Mozi. Им удалось разрушить квантовое состояние фотона, а затем восстановить его в том же месте и времени (феномен квантовой запутанности) на расстоянии 500 км.

Во-вторых, между Пекином и Шанхаем проложили квантовую оптоволоконную линию связи длиной в 2000 км, которая успешно функционирует, тем самым обеспечивая абсолютно устойчивую к взлому коммуникацию.

Ряд экспериментов затронул теоретическую основу (поворот стрелы времени, обнаружение состояния кота Шрёдингера). Их применение на практике ждёт свой черёд.

Участие России в квантовой гонке

За открытия в области квантовых технологий в РФ по большей части отвечает упомянутый РКЦ (RQC). В прошлом году здешние физики создали и протестировали первый в мире квантовый блокчейн – защищённую децентрализованную систему с квантовыми методами шифрования данных, что делает её устойчивой к потенциальному взлому от квантового компьютера. Систему запустили между несколькими отделениями «Газпромбанка» в Москве, и она успешно прошла тестирование разработчиков.

Учёные из Санкт-Петербурга вместе с австралийскими коллегами создали программу для вычисления свойств наночастиц – ещё одних элементов для использования в квантовых устройствах. Это поможет создать «оптические гаджеты нового поколения», считает физик из Университета ИТМО Анвар Баймуратов.

К слову, между двумя городами Московской области также налажена коммуникация с квантовым распределением ключей шифрования на базе существующих линий связи. Правда, её протяжённость составила 32 км, зато она работает, причем вполне успешно.

И это только начало наших побед. Фонд перспективных инноваций (ФПИ) и Внешэкономбанк договорились о создании межведомственной сетевой структуры, что упростит и ускорит связь между фондами, вузами и НИИ, работающими с квантовыми технологиями.

Квантовое будущее

Если верить исследовательской группе Quantum Technology, основанной Европейской комиссией, то ближайшие 10 лет она будет активно работать над созданием квантовой коммуникации. Точнее, над устранением проблем, стоящим на пути повсеместного использования квантовых сетей связи.

Согласно прогнозам группы, через 6 лет системы квантовой связи будут встроены в спутники, а также в многоузловые или внутригородские коммутируемые сети. Кроме того, европейские учёные намерены ворваться в квантовую гонку и масштабировать компьютеры до 100 кубитов.

О будущем квантовых технологий интересно и просто рассказывает член научного совета RQC, профессор физфака Университета Калгари, д. ф. н. Александр Львовский. И конкретно о планах России насчёт развития данной области он будет говорить 1 марта на Quantum Technology Conference – московской конференции, посвящённой коммерческому применению квантовых технологий.