Как в квантовой гонке участвует Россия, какие технологии получит изобретатель промышленного квантового компьютера и что мы уже используем, не замечая этого?

Кажется, что электронные устройства можно улучшать бесконечно, но на самом деле мы подходим к пределу миниатюризации транзисторов - кирпичиков, из которых строится вся современная электроника. За ней или бесконечный застой, или "квантовый скачок", переход на технологии, использующие операции с отдельными молекулами, атомами, электронами и фотонами.

Более ста лет назад Макс Планк заложил основы квантовой теории, которая по замысловатости для обычного жителя Земли легко соперничает с теорией относительности Эйнштейна. Оказалось, что вещество имеет и квантовую, и волновую природу, а кот Шредингера одновременно и жив, и мертв.
Фото: © Facebook/D-Wave Systems Inc.
Напомним, что Эйнштейн свою Нобелевскую премию получил за описание фотоэффекта, квантового явления, при котором свет выбивает электроны из вещества. Спустя полвека оно получило практическое применение при создании солнечных батарей. Еще одним примером широкого применения квантовых технологий являются лазеры, иначе называемые квантовыми генераторами. Отметим, что изначально аналогичные устройства - мазеры - были созданы на радиоволнах, за это изобретение российские ученые Александр Прохоров и Николай Басов получили Нобелевскую премию.

Сейчас инженеры добрались до использования более тонких эффектов, поэтому, когда говорят о квантовых технологиях, подразумевают использование индивидуальных квантовых систем, чаще всего составленных на базе единичных молекул и атомов, взаимодействующих с электронами и фотонами.

Создание квантового компьютера - вопрос пока дискутируемый, о нем позже. Но уже созданы экспериментальные линии связи, защищенные квантовым шифрованием. Принципиальный момент - невозможность их скрытого прослушивания. Любая попытка перехвата сообщения приводит к изменению состояния фотонов, которое легко заметит принимающая сторона (и даст команду прекратить передачу или сменить код для следующего сообщения). Пока даже для военных они дороги, а длина канала не превышает 200 километров. Но в будущем в комплексе с квантовыми шифрованием может переписать всю современную криптографическую систему.
Фото: © Facebook/D-Wave Systems Inc.
Компании уже готовятся к появлению квантовых технологий шифрования, например, Acronis заключила соглашение с ID Quantique, чтобы внести соответствующие алгоритмы в свое ПО для резервного хранения данных. Однако это скорее работа на будущее и очень редких существующих заказчиков систем с уровнем защиты информации, отличающимся по технологичности от существующих, как автомат от лука.

Более простой способ познакомиться с современными технологиями - покупка телевизора. Чем меньше частиц вы используете, тем труднее ими управлять, зато если получится, то их поведение более предсказуемое. Ученым удалось создать кристаллы, в которых электроны заключены в ловушку из силовых полей окружающих атомов и электронов. В результате они дают излучение строго определенного цвета (длины волны, если быть более корректным), что применили в топовых моделях своих устройств Samsung, Sony, LG и TCL. То есть эта технология еще относительно дорога, но уже не является редкой, доступна у разных производителей.

Как подобает настоящему квантовому объекту, квантовый компьютер - устройство канадской компании D-Wave вроде - бы и есть, но его вроде бы и нет. Потому что аппарат D-Wave реализует только один из возможных алгоритмов, который не позволяет решать самые интересные задачи: например, разложение больших чисел на простые множители, которое нужно для взлома секретных кодов.

Илья Бетеров, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института физики полупроводников СО РАН, отметил в беседе с Лайфом: "Есть точка зрения, что им [D-Wave] предстоит отказаться от архитектуры процессора, которую они выбрали с целью реализации своего адиабатического алгоритма, и вернуться к традиционной схеме квантовых вычислений, используя наработанный ими технологический задел".

Несмотря на вопросы к функциональности D-Wave, его уже купили Google и DARPA, чтобы изучать возможности квантовых вычислительных систем. По мнению Бетерова, для России важно не столько сделать квантовый компьютер первыми, сколько внимательно следить за прогрессом в этой области, реализовывать отдельные его элементы и иметь достаточно специалистов, которые смогут в короткие сроки создать аналогичные системы, когда станет понятна их практическая польза.
Сенсор на базе феррит-граната. Феррит-гранатовая пленка. Фото: © Российский квантовый центр
Видимо, с ним согласны и в правительстве: Минобрнауки, госкорпорация "Росатом" и Фонд перспективных исследований 28 апреля подписали соглашение на реализацию трехлетнего проекта "Создание технологии обработки информации на основе сверхпроводящих кубитов" объемом 750 млн рублей. Его реализация заложит базу для создания квантового компьютера.

Работы по реализации квантовых вычислений ведутся также и в Новосибирске: в Институте физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН и в Новосибирском государственном университете. В качестве кубитов, вычислительных элементов квантового компьютера, рассматриваются холодные нейтральные атомы рубидия, квантовые точки и дефекты кристаллической решетки в алмазах. Кроме чисто научного интересна, разные подходы позволяют инженерам выбрать наиболее эффективную концепцию для будущего вычислительного устройства, подходящую по габаритам, точности вычислений и точности эксплуатации.

Интерес к еще толком не созданному устройству объясняется тем, что квантовый компьютер потенциально будет в миллиарды раз быстрее существующих вычислительных устройств. Если он сможет выполнять алгоритм Шора, то сможет быстро раскладывать числа на множители, а эта операция лежит в основе дешифрования всех современных кодов. Отсюда отчасти проистекает тот интерес, который проявляют к разработке государства и различные специальные структуры. Так, к примеру, американские эксперты в области квантовых вычислений открыто говорят о том, что Агентство Национальной Безопасности США располагает огромным массивом собранной зашифрованной информации в расчете на изобретение новых средств по дешифровке.

Однако область применения квантовых компьютеров намного шире. Реализация различных алгоритмов на таких устройствах позволит создавать новые материалы и лекарства. Увы, скорее всего, они потребуют охлаждения жидким гелием до температуры, близкой к абсолютному нулю, а значит будут достаточно большими - размером со шкаф.

Есть вариант, что в наручных устройствах удастся уместить лишь квантовые симуляторы - аппараты, имеющие узкую специализацию. Остается надеяться на быстрые беспроводные каналы связи носимых устройств и вычисления в облаке на базе квантовых компьютеров. Однако ученые отмечают и положительную сторону квантовых компьютеров. Наращивать их размеры для повышения производительности тоже не придется.

"Для создания новых материалов нет необходимости переходить к масштабам меньше атомных. Свойства материала определяются тем, атомы каких химических элементов входят в его состав и каково их взаимное расположение. Соответственно, задача квантового моделирования состоит в том, чтобы подобрать такой набор атомов и расположить их в таком порядке, чтобы в результате получить вещество с заданными свойствами", - объяснил Лайфу Александр Печень, профессор РАН и федеральный профессор математики Национального исследовательского технологического университета "МИСиС".

Илья Бетеров с ним согласен: "Физический размер массива кубитов сейчас не самая большая проблема, потому что их нужно не так много, порядка тысячи. Более сложный вопрос: как сделать квантовый регистр, число кубитов в котором можно наращивать и чтобы с этими кубитами можно было делать операции с высокой точностью". Он добавляет, что если удастся сделать квантовый компьютер на дипольных ловушках с холодными атомами, то конструкция размером 4x4 миллиметра сможет содержать миллион кубитов - в тысячу раз больше минимально необходимого набора.

Apple в 2014 году просто загипнотизировала всех медицинской платформой HealthKit, которая в перспективе будет способна оценивать состояние пользователя, сравнивая его данные с показателями миллионов других пользователей. Только пока медицинские возможности электронных устройств любых производителей ограничиваются подсчетом количества пройденных шагов и пульса во время тренировки. Важная информация, но явно недостаточная, чтобы поставить диагностическую картину.

Миниатюрные измерительные системы, созданные при помощи квантовых технологий, помогут, например, в снятии кардиограмм или энцефалограмм для регулярного отслеживания деятельности сердца и мозга - это необходимо для оперативного предсказания потенциальных проблем со здоровьем.

Например, Российский квантовый центр ведет разработку датчика на ферримагнетиках. Этот класс веществ замечателен тем, что спины его атомов ориентируются так, чтобы скомпенсировать внешнее магнитное поле, но не полностью. Исследователи поместили кристаллические пленки феррит-граната во вращающееся магнитное поле. Получившиеся магнитные маятники начинают прецессировать (менять направление оси вращения) под действием слабых магнитных полей. Они столь чувствительны, что считывают даже электрические сигналы в нервных волокнах, проходящих через сердце.

Такой детектор, имея размер в десятки миллиметров, позволяет делать магнитную кардиограмму с точностью, доступной сейчас только с помощью датчиков СКВИД. При этом устройство получится относительно недорогое и с размерами, уместными для хранения дома. А аппараты на базе СКВИД, требующие охлаждения жидким гелием для перевода в сверхпроводящее состояние, имеют значительные размеры и доступны только крупным медицинским учреждениям. Переход на ферритовые сенсоры позволит пользователям хранить аппарат дома и регулярно проверять состояние сердца, а в перспективе и мозга.

В этом же центре создаются сенсоры для обнаружения отдельных молекул вещества методом комбинационного рассеяния. Квантовые технологии позволяют сделать достаточно компактные сканеры для установки их в местах проверки людей службами безопасности. В одном грамме вещества содержатся миллиарды его миллиардов молекул. Как ни пакуй взрывчатку или наркотики, какие-то из них проникнут через обертку и потенциальный террорист или наркокурьер будет пойман.

В то же время Илья Бетеров считает, что создание квантовых симуляторов сейчас даже интереснее квантовых компьютеров. Они дают возможность с помощью простых физических систем моделировать сложные. Это позволит быстро находить интересные свойства у новых веществ и более подробно исследовать существующие.

В практическом плане, по прогнозу Александра Печеня, квантовое моделирование позволит получить ранее не существовавшие материалы, в которых "квантовые эффекты, характерные для систем многих тел, используются для создания соединений с новыми свойствами". Они смогут применяться в устройствах квантовой памяти для высокотемпературной сверхпроводимости, биодиагностики на основе квантовых точек, создания суперконденсаторов на основе лазерно-индуцированного графена.

Например, прорывом стало бы создание сверхпроводников, работающих при комнатной температуре - они бы проводили ток без потерь, без громоздких систем охлаждения, что позволило бы сэкономить миллиарды киловатт электроэнергии при передаче от генерирующих станций к потребителю. Компактные диагностические устройства следили бы за нашим здоровьем, вовремя предупреждая об угрозах. Суперконденсаторы позволили бы телефонам работать неделями, а машинам проезжать всю страну на одной зарядке. Если вас не очень волнуют новые материалы и тип двигателя в автомобиле, то наверняка заинтересует, что квантовые симуляторы помогут разработать эффективные лекарства для борьбы с болезнями.

Александр Баулин

Похожие новости

  • 10/06/2017

    Высокотехнологичное оружие и военную технику должны эксплуатировать профессионалы своего дела

    ​Вооруженные силы Российской Федерации сегодня – это сложнейшая инженерная структура, высокотехнологичная и интеллектоемкая сфера деятельности, поэтому вызывает широкий общественный интерес развертывание масштабной деятельности по созданию устойчивого и надежного научно-технического задела для перспективных видов вооружения и военной техники.
    1208
  • 08/05/2019

    Главные новости сибирской науки в апреле 2019 года

    ​ В результате анализа данных информационного портала ГПНТБ СО РАН «Новости сибирской науки» за апрель 2019 г. выявлены самые рейтинговые сообщения по различным категориям. В разделе «Новости РАН» самый высокий рейтинг у сообщений: 30 апреля – Государство поддержало молодых ученых, не определившись с их возрастом.
    1402
  • 25/05/2017

    «Физика рака» — ученые обсуждают в Томске «раковое цунами», накрывающее человечество

    На Международной конференции «Физика рака: трансдисциплинарные проблемы и клинические применения», которая проходит в эти дни в МКЦ ТПУ, прозвучит почти 50 пленарных докладов ученых России и зарубежных стран — США, Израиля, Франции, Германии, Китая, Греции, Италии, Словении, Сербии.
    2077
  • 08/09/2017

    Что станет с научной аспирантурой: будет ли польза от инициативы министра образования и науки

    Почему стоит ожидать того, что качество аспирантских диссертаций вскоре упадет, как у аспирантов меняется философское осмысление мира, чем аспирантура похожа на смертную казнь и на кубинские ретроавтомобили, Indicator.
    1958
  • 22/08/2018

    Учеными впервые запечатлены флуктуации при квантовом фазовом переходе

    Физики впервые смогли напрямую зафиксировать локальную динамику системы, которая совершает квантовый фазовый переход, — аналог таких процессов, как конденсация и кристаллизация. В результате ученые пронаблюдали квантовый аналог пузырей пара, которые появляются в воде во время кипения.
    1015
  • 27/04/2017

    «Фотоника и квантовые оптические технологии» на МНСК-2017

    «Фотоника и квантовые оптические технологии» — такая секция впервые была организована в рамках 55-ой Международной научной студенческой конференции, которая прошла 16-20 апреля в НГУ. Исследования и разработки в направлениях науки и техники, связанных с генерацией и распространением квантов света (фотонов), управлением ими, изучением и использованием их взаимодействия с веществом, бурно развиваются во всем мире, а результаты этих работ быстро выходят на рынок в виде высоковостребованных устройств и технологий - систем сверхбыстрой оптической связи, промышленных лазеров, биомедицинского лазерного оборудования, метрологических и сенсорных устройств, и многих других.
    2894
  • 16/12/2016

    В ВАК прокомментировали идею Владимира Филиппова о введении степени PhD

    ​Предложение ввести в РФ степень PhD не подразумевает замену уже существующей российской системы, а предполагает полное равенство PhD степени кандидата наук и сохранение степени доктора наук, сказал РИА Новости глава Высшей аттестационной комиссии (ВАК) Владимир Филиппов.
    2341
  • 14/09/2016

    Ольга Васильева: у нас большие достижения в системе высшего образования и хорошие научные проекты

    ​Несмотря на всю непопулярность реформ экс-главы Минобрнауки Дмитрия Ливанова, первое назначение на этот пост женщины, автора работ на богословские темы, историка Русской православной церкви очень сильно всколыхнуло общественность.
    1801
  • 16/09/2019

    Как сделать новосибирский Академгородок научной столицей России

    ​15 сентября в здании Новосибирского государственного университета состоялся круглый стол на тему “Академгородок и Академгородки: сегодня и завтра” и мозговой штурм “Как сделать Академгородок научной столицей России”.
    484
  • 25/04/2017

    Количество аспирантов сокращается и без вмешательства чиновников

    Насколько сократилась численность аспирантов, почему диссертацию защищает только каждый пятый и что объединяет политологов, психологов и искусствоведов. Об этом Indicator.Ru рассказала заведующая отделом исследований человеческого капитала Института статистических исследований и экономики знаний (ИСИЭЗ) НИУ ВШЭ, кандидат философских наук Наталья Шматко.
    2628