Квантовий стрибок: дивні дослідження відкривають неймовірні технічні можливості - The Economist

Шапочка для купання, здатна сканувати нейрони людини, яка дозволяє дослідникам стежити за перебігом чиїхось думок. Сенсор, який може виявити секретні атомні субмарини. Комп'ютер, який може відкрити нові ліки, влаштувати революцію в області безпеки, торгівлі чи відкрити нові матеріали. Глобальна комунікаційна мережа, надійність і захищеність якої гарантована непорушними законами фізики. Все це і навіть більше пропонують квантові технології.

Про це сьогодні пише The Economist. Всі ці відкриття можливі завдяки просуванню вперед здатності науковців ловити і досліджувати окремі атоми і ледь вловимі часточки світла - фотони. Сучасні комп'ютерні процесори стають дешевшими і швидшими в той час, як їхні розміри меншають. Але квантові механіки кажуть, що коли вони стануть зовсім дрібними, елементарні частинки зможуть проникати крізь їхнє тверде тіло і замикати "нутрощі" процесорів.

Квантові технології підходять до проблеми з абсолютно іншого боку. Замість того, щоб зменшувати технології, вони використовують незвичну поведінку окремих атомів і елементарних частинок, щоб збільшити їхню дію. Як і комп'ютеризація у свій час, квантові технології відкривають світу великі можливості у кожній сфері. Вони можуть також спричинити появу абсолютно нових індустрій.

Квантова механіка - теорія поведінки частинок на атомному рівні, сформульована на початку 20-го століття - здобула репутацію дивака. Це тому, що світ насправді зовсім не такий, яким його бачить людство. Квантова механіка замінила всі багатовічні уявлення про чіткий, визначений світ знаннями про реальність, сповнену вірогідностями. Це призвело до появи дійсно "галюциногенних" змін у розумінні речей. Приміром, тепер стало відомо, що елементарні частинки принципово не закріплені за перебуванням у якійсь конкретній точці простору. Доки вони не будуть пов'язані з чимсь, вони водночас в усіх можливих місцях: вони у "суперпозиції" до свого місця координат.

Теорія також припускає, що елементарні частинки дивним чином пов'язані: якщо змінити щось для однієї з них, інші це автоматично відчують теж, навіть якщо між ними велика відстань. Ця "сплутаність" роздратувала навіть засновників теорії. Але саме ці ефекти зараз можуть дати світу новий технологічний поштовх. Техніки, розроблені в ході досліджень квантового світу, тепер можна використати з користю.

Прилади, які використовують суперпозицію і пов'язаність елементарних частинок, можуть за своєю продуктивністю сильно перевершити нині існуючі і зробити доступними ті завдання, які раніше вважалися неймовірними. Приміром, покращення атомних годинників за допомогою явища пов'язаності елементарних частинок, може зробити пристрої більш точними, ніж ті, які сьогодні використовуються у супутникових системах визначення координат. А це, у свою чергу, може покращити на кілька порядків навігаційну точність, що зробить безпілотні автомобілі більш безпечними і надійними. І оскільки сила локальних гравітаційних полів впливає на перебіг часу, такі покращені атомні годинники зможуть заміряти маленькі відмінності у гравітації на планеті. А це дозволить виявляти підземні трубопроводи, не розкопуючи дороги, або ж вистежити субмарини на глибині.

Інший аспект квантової теорії дозволяє обмінюватися інформацією без страху, що її викрадуть чи підслухають. Сигнали, закодовані за допомогою суперпозиції чи пов'язаності частинок, не можна перехопити, скопіювати чи заблокувати. Це має очевидну цінність для урядів і компаній по всьому світу. Китай вже запустив супутник, здатний отримувати і скеровувати такі сигнали. Не виключено, що у світі може з'явитися глобальна мережа, яку не можливо зламати.

Переваги взаємодії між різними квантовими ефектами найкраще розкриваються у квантових комп'ютерах. Замість стандартоного двійкового обчислення, біти квантових комп'ютерів перебувають у суперпозиції до обох значень. А кожен "кубіт" пов'язаний з усіма іншими. Використовуючи алгоритми, які будуть переводити питання у квантову форму, такі комп'ютери зможуть легко розправитися з обчисленнями, на які сучасним суперкомп'ютерам знадобилися б тисячоліття. І якщо надзвичайно захищені квантові мережі будуть створені, існує страх, що квантові комп'ютери зроблять сучасні технології кодування застарілими.

Але до того, як це станеться, менші квантові комп'ютери внесуть позитивні зміни в низку індустрій: від енергетики до логістики, розробки ліків чи фінансової сфери. Навіть прості квантові комп'ютери будуть здатні вирішити багато проблем, які "не по зубам" звичайним машинам. Вони зможуть вирахувати оптимізацію торговельних стратегій чи визначити перспективні ідеї для розробки нових ліків у науковій літературі, яка існує зараз. Минулого тижня Google заявив, що такі машини зможуть з'явитися в продажу вже через п'ять років. Цього ж тижня компанія IBM, яка вже розробила свій "рудиментарний" квантовий комп'ютер і зробила його доступним для користувачів, оголосила про плани розширення. Видання зауважує, що з появою широкого доступу до квантових комп'ютерів розробники програмного забезпечення миттю візьмуться за створення корисних для різних компаній програм. А це створить цілу інфраструктуру сервісів, заснованих на квантовій механіці.

Нинішня ситуація нагадує початок 90-х років, коли зароджувався Інтернет. Тоді корпорації виявили комерційний потенціал у великих лабораторних дослідженях, якими вчені займалися десятиліттями. Підприємливі компанії купують собі доступ до розробок або ж організовують власні дослідження. А "стартапи" множаться, пропонуючи нові рішення і способи застосування.

На щастя для квантових технологій, лишилося подолати тільки інженерні виклики, а не наукові. І сучасні пристрої, засновані на них, - це лише початок. Найбільш захопливим у квантових технологіях стало те, що краю їхнього потенціалу досі не видно. Для багатьох в 20-му столітті слово "квантовий" означало "дивний". В 21-му ж воно набуде нового значення - "кращий".

Раніше повідомлялося про те, що створення квантового комп'ютера інвестує компанія Intel. Розмір грошових вкладень складе 50 мільйонів доларів. За розробку комп'ютера візьмуться фахівці Організації прикладних досліджень і Делфтського технологічного університету в Нідерландах.