Евгений Глушков. Как квантовые технологии меняют нашу жизнь

Евгений Глушков
Физик-экспериментатор в лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» и лаборатории искусственных квантовых систем, основатель проекта MakeItQuantum.ru, понятно и доступно рассказывающего о квантовом мире

Мы живем в новом веке — веке технологий. Просто задумайтесь на минутку, насколько мы от них зависимы. Начиная с тех же благ цивилизации — электричества, водопровода, канализации, и заканчивая привычными компьютерами, планшетами и телефонами — сложно представить, что люди когда-то могли без них обходиться. А ведь некоторые из них появились на свет всего лишь несколько десятилетий назад.

Все эти изменения легко видны невооруженным глазом, но что послужило толчком к их появлению? Прогресс в науке, солидную роль в котором сыграли становление современной физики и череда удивительных открытий, совершенных десятками знаменитых ученых и воплощенных в жизнь плеядой талантливых инженеров. И если XIX век прошел в исследованиях парового котла и электричества, то к началу XX века ученые начали все глубже проникать в тайны материи — и именно тогда возникла новая наука — квантовая механика, определившая развитие физики на многие десятилетия вперед. Несмотря на то, что квантовая механика применяется лишь к очень маленьким частицам (молекулам, атомам, электронам), ее влияние простирается вплоть до звездных масштабов. Да-да, именно повинуясь законам квантовой механики происходит термоядерный синтез в глубинах звезд, поддерживающий их яркую жизнь. Диктует свои правила квантовая механика и черным дырам, поглощающим все падающее на них излучение и периодически пожирающим ненароком оказавшихся поблизости звездных соседок.

Если же вернуться с небес на землю, то есть к привычным для человека масштабам, то и здесь квантовая механика внесла свой вклад. И это не только научное знание — понимание структуры материи и взаимодействия излучения с веществом! Это и атомные электростанции, и кремниевая электроника, и солнечные панели, и всевозможные научные и промышленные приборы. Но все это — лишь первый шаг — плоды так называемой первой квантовой революции, когда исследователи научились управлять свойствами вещества, которые задаются квантовой механикой на микроуровне.

Но прогресс не стоит на месте! За последние пару десятилетий в арсенале ученых появилось множество способов наблюдения за микромиром и управления отдельными квантовыми объектами с небывалой точностью. Объединенные пресловутым понятием «нанотехнологии», эти инструменты заложили основу второй квантовой революции, которая происходит прямо сейчас на наших глазах.

Чтобы понять актуальность квантовых технологий в более широком контексте — достаточно вспомнить, что размеры отдельных элементов современных процессоров (транзисторов) составляют порядка десяти нанометров, что вплотную приближает их к атомным масштабам. Разумеется, квантовые эффекты начинают играть здесь существенную роль. Другой пример — оптические чипы, где вместо электронов носителями информации выступают отдельные фотоны (кванты света), что позволяет совершать вычислительные операции в десятки раз быстрее! И такие чипы уже были продемонстрированы компанией IBM.

А вспомните про оптоволокно, с помощью которого можно сидя дома за секунды скачивать гигабайты фильмов, музыки и игр. Ведь информация по нему тоже переносится световыми импульсами — скопищами из нескольких миллионов фотонов. Но самое интересное начинается, если ослабить эти импульсы настолько, что в них останется не больше пары-тройки фотонов. Оказывается, что на основе таких квантовых сигналов можно создавать защищенные линии связи, надежность которых и стойкость к взлому обеспечиваются законами природы! Такой подход называется квантовой криптографией и уже успешно применяется различными финансовыми организациями по всему миру.

Россия в этом направлении тоже не отстает. В созданном несколько лет назад Российском Квантовом Центре над созданием систем квантовой криптографии и их промышленным внедрением работает группа ученых и инженеров. Более того, разработанная ими линия связи, защищенная с помощью протоколов квантовой криптографии, была испробована в мае этого года в Москве в реальных условиях для передачи данных между двумя отделениями Газпромбанка. И это только начало, ведь те же китайские ученые уже вовсю работают над передачей квантовой информации через спутник и созданием квантового интернета!

Еще одной важной причиной, по которой внедрение квантовой криптографии становится все более актуальной задачей, является квантовый компьютер — еще не созданное, но активно разрабатываемое устройство, которое способно исполнять квантовые алгоритмы. И так уж получилось, что один из этих квантовых алгоритмов оказался способен в считанные минуты взламывать традиционные схемы шифрования, применяемые сейчас повсеместно — в интернете, при совершении банковских операций и даже для передачи секретной информации государственной важности. К счастью, квантовая криптография этому алгоритму не по зубам, поэтому очень многие в последнее время стали в ней заинтересованы.

Казалось бы, всем нам стоит радоваться, что квантовый компьютер еще не создан — ведь это значит, что наши секретные данные все еще в безопасности. Но есть здесь и другая сторона медали. Ведь существуют другие квантовые алгоритмы, использующие всю мощь квантовой механики для решения недоступных для традиционных компьютеров типов задач. К ним относится, например, более быстрая и дешевая разработка новых лекарств и материалов, способных кардинально изменить многие области науки и промышленности. Над созданием прототипов квантового компьютера работают многие группы ученых, крупные международные IT-компании, а также государственные организации. И, по разным оценкам, полнофункциональный экземпляр будет создан в ближайшие 5–7 лет.

Кроме этих двух столпов квантовых технологий — квантовой криптографии и квантового компьютера, существуют и другие примеры. Скажем, квантовые точки уже применяются несколькими производителями электроники для создания сверхярких дисплеев высокого разрешения с непревзойденным качеством изображения. Еще одна область применения квантовых технологий — всевозможные сенсоры для биологии и медицины. Тот же аппарат МРТ использует квантовые свойства атомов водорода в нашем теле для получения детализированных снимков различных органов.

Несложно догадаться, что, подчиняясь течению научно-технического прогресса, будут все стремительней развивать и области, где применяются квантовые технологии. Этот процесс потребует все большего числа высококвалифицированных специалистов, что сделает условную профессию «квантового инженера» очень привлекательной. А о том, как можно стать экспертом в области квантовых технологий мы обязательно поговорим в следующей статье.