Первую квантовую революцию, создание коллективных квантовых явлений, относят к 1954 году, когда ученые Николай Басов и Александр Прохоров разработали первый микроволновой генератор - лазер, где активной средой служил аммиак. Лазер - это, по сути, устройство управления потоком фотонов.
На использовании квантовых технологий также основана работа томографов и сверхчувствительных микроскопов.
Вторая революция началась уже полвека спустя - в 2012 году. Она продиктована достижениями квантовой физики в возможностях управления веществом на уровне отдельных мельчайших частиц.
Возможности эпохи кванта
Развитие квантовых технологий идет неразрывно с современными трендами: интернет вещей, искусственный интеллект, Big Data, носимые гаджеты и робототехника.
Предсказанный законом Мура экспоненциальный рост вычислительных мощностей позволит производить расчеты из миллиарда значений за секунды.
Это новые скорости коммуникаций, высокий уровень защиты данных, близкий к максимальному, более миниатюрная и производительная электроника.
Технологии актуальны и для медицины, когда необходимо определить точную дозу и успешность приема того или иного препарата путем расчета сценариев и моделирования возможных взаимодействий.
Квантовые компьютеры позволят диагностировать рак на более ранних стадиях и моделировать молекулы ДНК. Очевидно превосходство новых вычислительных мощностей и в военных целях: расчет точных координат объекта, защита данных, создание более сложных автопилотируемых машин.
Квантовый рынок
Мировой рынок квантовых технологий стремительно набирает обороты.
 |
| Научный сотрудник лаборатории квантовых симуляторов и интегрированной фотоники Российского квантового центра в технопарке "Сколково". |
| Источник: РИА Новости / Максим Блинов |
Передовые в технологических отраслях страны активно стимулируют развитие квантовых устройств. Безусловно, финансовая поддержка играет решающую роль для реализации высокотехнологичных проектов.
К примеру финансирование государственных программ по квантовым технологиям в Евросоюзе за все время составляет один миллиард евро, в Великобритании - 400 миллионов долларов, в США - 360 миллионов долларов, в Китае - 220 миллионов долларов.
Российский квантовый центр (РКЦ) получил от фонда Сколково 1,33 миллиарда рублей в 2012 году.
Частные корпорации делают ставку на развитие квантовых компьютеров. Совокупный объем инвестиций компаний Google, IBM, Intel и Microsoft в подобные проекты достигает 0,5 миллиарда долларов.
Квантовые компьютеры
Современные классические компьютеры используют для обработки данных бинарный код, состоящий из нулей и единиц. Для создания виртуального объекта в нем создается комбинация битов. В квантовом компьютере вместо битов используются кубиты (квантовые биты), которыми измеряют квантовые процессы. При этом вычисления осуществляются параллельно, с мгновенной скоростью.
 |
| Чип компании D-Wave Systems Inc., предназначенный для квантовых вычислений. |
| Источник: CC BY 3.0 / D-Wave Systems, Inc. |
Существующий в настоящее время в мире 128-кубитный квантовый компьютер канадского производства D-wave работает частично в квантовом режиме. D-wave позволяет решать лишь узкий спектр задач. Это может быть машинное обучение, искусственный интеллект, но решение произвольно заданных задач ему не под силу.
Амбициозные цели ведущих команд разработчиков - создание универсального квантового компьютера.
В июле группа ученых во главе с профессором Гарвардского университета и сооснователем РКЦ Михаилом Лукиным сообщили о создании 51-кубитного квантового компьютера. На настоящий момент это самая мощная вычислительная машина. Многие ученые считают, что 50-кубитная система уже способна продемонстрировать свое превосходство в решении задач по сравнению с классическими компьютерами.
 |
| 51-кубитный квантовый компьютер М. Д. Лукина. |
| Источник: Министерство образования и науки РФ |
Появление на свет универсального компьютера, способного реализовать весь свой потенциал, по прогнозам экспертов, займет от пяти до 25 лет.
Его появление называют информационной бомбой XXI века.
Очевидно, что первая страна, получившая сверхпроизводительную машину, сможет занять лидирующее место в мире во многих областях.
Помимо новых возможностей, это создает и потенциальные опасности. Для такого компьютера не составит труда расшифровать любые базы данных, закодированные сложными математическими алгоритмами.
Предупредить подобные угрозы возможно лишь путем разработки и внедрения квантовых коммуникационных систем.
Квантовые сети
Системы квантовой связи активно развивают в Китае, США и Европе.
В России разработки устройств квантовой криптографии производятся в РКЦ, Казанском квантовом центре и совместно в Московском государственном университете и Университете ИТМО.
 |
| Система квантовой коммуникации, разработанная в Университете ИТМО. |
| Источник: Пресс-служба Университета ИТМО |
Отдельным проектом РКЦ является компания Qrate, основанная для работы над проектом создания системы квантовой связи. Сумма инвестиций в проект от Газпромбанка совместно с Министерством образования и науки России составляет 450 миллионов рублей.
Линия квантовой связи уже была апробирована в Москве, соединив оптоволоконным кабелем два здания Газпромбанка.
Особенность российской квантовой сети - применение одновременно двух методов шифрования данных, что позволяет внедрять ее в уже существующие каналы коммуникаций.
Для каких потребителей квантовые сети станут востребованы в первую очередь?
Это правительство, банки и крупный бизнес, а также телекоммуникационные компании. Дело в том, что сегодня стоимость устройств квантовой криптографии довольно высока.
Один комплект таких аппаратов от швейцарской компании ID Quantities, сегодняшнего лидера на рынке, составляет примерно 200 тысяч долларов. Российский аналог должен стоить несколько дешевле, около 150 тысяч долларов.
Среднее расстояние коммуникационной связи посредством квантовой сети пока составляет около 150 километров.
Первыми в России выпустить готовую технологию и оборудование квантовой криптографии для быстрых каналов связи планируют физики РКЦ. По их расчетам, это произойдет уже в 2018 году.
Данные разработки имеют приоритетное значение, поскольку позволят обеспечить защиту от взлома квантовыми компьютерами в недалеком будущем.
Для России устройства являются к тому же потенциальными экспортными позициями, где нужно успеть занять свою нишу.
В случае использования единичного комплекта устройств одной компанией возможно обеспечить шифрование данных, к примеру, в пределах одного города.
Доступными для массового рынка новые технологии защиты данных смогут стать лишь после прокладывания магистральных квантовых оптоволоконных линий.
Квантовая сеть может быть использована и в качестве телефонной связи. Такие сети стали появляться в России еще в 2014 году. А в августе 2016-го ученые Казанского авиационного института и Санкт-Петербургского НИУ информационных технологий, механики и оптики провели успешные испытания сети посредством сеансов аудиосвязи. Эта сеть сейчас полностью функционирует.
Однако ограничения в расстояниях и свойство угасания света при движении через оптоволокно подтолкнули ученых к запуску космического аппарата с целью решения этих проблем. Таким спутником стал китайский "Мо цзы".
Успешно проведены эксперименты по трансконтинентальной спутниковой квантовой связи. В перспективе - распространение квантового интернета.
Информационная безопасность
Квантовая сеть в настоящий момент является самым безопасным способом передачи данных. В ее основе лежит принцип квантового распределения ключей. Ключ генерируется и передается посредством фотонов, приведенных в квантовое состояние. Скопировать данный ключ нельзя. При попытке взлома фотоны, согласно законам квантовой физики, меняют свое состояние, внося ошибки в передаваемые данные. Уровень ошибок, выходящий за допустимые пределы, свидетельствует о попытке взлома. В таком случае подбирается и отправляется новый ключ - до тех пор, пока при передаче не будет достигнут допустимый уровень ошибок.
Квантовая революция обещает изменить привычный уклад жизни. В преддверии появления квантовых компьютеров остро встают вопросы финансовой и информационной безопасности, защиты доступа к управлению военной техникой.
Надежду в этом возлагают лишь на системы квантовых коммуникаций как новые способы защиты данных.
Валерий Спиридонов, для РИА Новости
