Квантовый скачок: странные исследования открывают невероятные технические возможности - The Economist

Квантовая теория приблизилась к точке, в которой ее исследования получат практическое применение.

Шапочка для купания, способная сканировать нейроны человека, которая позволяет исследователям следить за ходом чьих-то мыслей. Сенсор, который может обнаружить секретные атомные субмарины. Компьютер, который может открыть новые лекарства, устроить революцию в области безопасности, торговли или открыть новые материалы. Глобальная коммуникационная сеть, надежность и защищенность которой гарантирована незыблемыми законами физики. Все это и даже больше обещают квантовые технологии.

Об этом сегодня пишет The Economist. Все эти открытия возможны благодаря продвижению вперед способности ученых ловить и исследовать отдельные атомы и едва уловимые частицы света - фотоны. Современные компьютерные процессоры становятся дешевле и быстрее в то время, как их размеры уменьшаются. Но квантовые механики говорят, что когда они станут совсем мелкими, элементарные частицы смогут проникать сквозь их твердое тело и замыкать "внутренности" процессоров.

Квантовые технологии подходят к проблеме с совершенно другой стороны. Вместо того, чтобы уменьшать технологии, они используют необычное поведение отдельных атомов и элементарных частиц, чтобы увеличить их действие. Как и компьютеризация в свое время, квантовые технологии открывают миру большие возможности в каждой сфере. Они могут также вызвать появление абсолютно новых индустрий.

Квантовая механика - теория поведения частиц на атомном уровне, сформулированная в начале 20-го века - завоевала репутацию чудака. Это потому, что мир на самом деле совсем не такой, каким его видит человечество. Квантовая механика заменила все многовековые представления о четком, определенном мире знаниями о реальности, наполненной вероятностями. Это привело к появлению действительно "галлюциногенных" изменений в понимании вещей. К примеру, теперь стало известно, что элементарные частицы принципиально не закреплены за пребыванием в какой-то конкретной точке пространства. Пока они не будут связаны с чем-то, они одновременно во всех возможных местах: они в "суперпозиции" до своего места координат.

Теория также предполагает, что элементарные частицы странным образом связаны: если изменить что-то для одной из них, другие это автоматически почувствуют тоже, даже если между ними большое расстояние. Эта "спутанность" взбесила даже основателей теории. Но именно эти эффекты сейчас могут дать миру новый технологический толчок. Техники, разработанные в ходе исследований квантового мира, теперь можно использовать с пользой.

Приборы, которые используют суперпозицию и связанность элементарных частиц, могут по своей производительности сильно превзойти ныне существующие и сделать доступными те задачи, которые раньше считались невероятными. К примеру, улучшение атомных часов с помощью явления связанности элементарных частиц может сделать устройства более точными, чем те, которые сегодня используются в спутниковых системах определения координат. А это, в свою очередь, может улучшить на несколько порядков навигационную точность, что сделает беспилотные автомобили более безопасными и надежными. И поскольку сила локальных гравитационных полей влияет на ход времени, такие улучшенные атомные часы смогут замерять маленькие различия в гравитации на планете. А это позволит обнаруживать подземные трубопроводы, не раскапывая дороги, или же выследить субмарины на глубине.

Другой аспект квантовой теории позволяет обмениваться информацией без страха, что ее украдут или подслушают. Сигналы, закодированные с помощью суперпозиции или связанности частиц, нельзя перехватить, скопировать или заблокировать. Это имеет очевидную ценность для правительств и компаний по всему миру. Китай уже запустил спутник, способный получать и направлять такие сигналы. Не исключено, что в мире может появиться глобальная сеть, которую не возможно сломать.

Преимущества взаимодействия между различными квантовыми эффектами лучше всего раскрываются в кватових компьютерах. Вместо стандартоного двоичного исчисления, биты квантовых компьютеров находятся в суперпозиции обоих значений. А каждый "кубит" связан со всеми другими. Используя алгоритмы, которые будут переводить вопрос в квантовую форму, такие компьютеры смогут легко расправиться с вычислениями, на которые современным суперкомпьютерам понадобились бы тысячелетия. И если чрезвычайно защищенные квантовые сети будут созданы, существует страх, что квантовые компьютеры сделают современные технологии кодирования устаревшими.

Но до того, как это произойдет, меньшие квантовые компьютеры внесут положительные изменения в ряд индустрий: от энергетики до логистики, разработки лекарств или финансовой сферы. Даже простые квантовые компьютеры будут способны решить много проблем, которые "не по зубам" обычным машинам. Они смогут вычислить оптимизацию торговых стратегий или определить перспективные идеи для разработки новых лекарств в научной литературе, которая существует сейчас. На прошлой неделе Google заявил, что такие машины смогут появиться в продаже уже через пять лет. На этой же неделе компания IBM, которая уже разработала свой "рудиментарный" квантовый компьютер и сделала его доступным для пользователей, объявила о планах расширения. Издание отмечает, что с появлением широкого доступа к квантовым компьютерам разработчики программного обеспечения мигом возьмутся за создание полезных для различных компаний программ. А это создаст целую инфраструктуру сервисов, основанных на квантовой механике.

Нынешняя ситуация напоминает начало 90-х годов, когда зарождался Интернет. Тогда корпорации обнаружили коммерческий потенциал в крупных лабораторных исследованиях, которыми ученые занимались десятилетиями. Предприимчивые компании покупают себе доступ к разработкам или же начинают собственные исследования. А "стартапы" множатся, предлагая новые решения и способы применения.

К счастью для квантовых технологий, осталось преодолеть только инженерные вызовы, а не научные. И современные устройства, основанные на них, - это только начало. Наиболее увлекательным в квантовых технологиях стало то, что края их потенциала до сих пор не видно. Для многих в 20-м веке слово "квантовый" означало "странный". В 21-м же оно приобретет новое значение - "лучший".