14 апреля отмечается Всемирный квантовый день, учрежденный в 2019 году для популяризации квантовой физики и ее вклада в развитие мира. Дата выбрана неслучайно: в англоязычной литературе она выглядит как 4/14, что соответствует постоянной Планка 4,14 × 10-15 эВ·с. Отмечая праздник, «Луч» решил сосредоточиться на главном — понять, как квантовые технологии работают в современном мире.
Постоянная Планка возникла как коэффициент пропорциональности между энергией кванта и его частотой. Значение — 6,626 070 15 × 10-34 Дж·с.
Представьте, что вы стоите на берегу океана. Волны накатывают на песок одна за другой. Они двигаются предсказуемо, подчиняясь законам механики, которые человечество изучало столетиями. Если мы бросим в воду камень (или яблоко), мы сможем точно рассчитать, где он (или оно) упадет. Это мир классической физики — мир, в котором мы живем. Мир, описанный Ньютоном, где все интуитивно понятно и измеримо, а значит, и проверяемо.
Но если мы могли бы взять достаточно мощный микроскоп и заглянуть, например, в центр атома, то мы бы попали в совершенно другую реальность. Здесь правила меняются. Частицы могут быть в двух (и даже более) местах одновременно. Они могут проникать сквозь непроходимые барьеры и мгновенно «чувствовать» друг друга на огромном расстоянии. Это удивительный мир квантовой физики. И ученые придумали, как использовать его причуды на пользу человечества. Так появились квантовые технологии. Мы попробовали перевести язык атомов на человеческий и теперь точно знаем, что квантовый мир может быть понятен даже школьнику.
От теории к практике, или Немного истории
История квантовой революции началась 100 лет назад, в самом начале XX века. Тогда ученые столкнулись с проблемой, которую не могла объяснить классическая физика. Например, почему нагретые тела «светятся» именно так, а не иначе? В 1900 году немецкий физик Макс Планк предложил смелую идею: энергия излучается телом не непрерывным потоком, а отдельными порциями — квантами. То есть было бы правильнее представить излучение не как сплошной поток воды, а как своего рода большой набор отдельных капель.
Идею Планка поддержал Альберт Эйнштейн, он доработал ее и с ее помощью объяснил фотоэффект, за что позже получил Нобелевскую премию. Если Планк полагал, что свет порциями излучается, то Эйнштейн показал, что свет — это и есть поток «порций» (фотонов, или квантов света).
Тем временем Нильс Бор создал модель атома, в которой электроны вращаются вокруг ядра по строго определенным орбитам. Он взял за основу планетарную модель атома Эрнеста Резерфорда, однако ввел допущение, которое не только позволяло электронам не падать на ядро, но и объясняло спектр излучения атомов водорода.
Вслед за Эйнштейном и Бором их идеи стала развивать целая плеяда гениев: Вернер Гейзенберг, Эрвин Шредингер, Поль Дирак и другие. Все эти ученые создали математический аппарат, который позволял предсказывать поведение «жителей» микромира с невероятной точностью. Однако долгое время квантовая механика оставалась лишь теорией. Она объясняла, как устроен мир, но не давала инструментов для управления им.
Первая квантовая революция произошла во второй половине XX века. Тогда ученые научились использовать коллективные квантовые эффекты. В результате в мире появились транзисторы, лазеры, магнитно-резонансные томографы и вся современная микроэлектроника. Сегодня любой смартфон, интернет и компьютер работают благодаря тому, что гении прошлого постигли законы квантового мира.
Сейчас мы стоим на пороге второй квантовой революции. Если раньше мы использовали квантовые эффекты «оптом», то теперь ученые учатся управлять отдельными квантовыми объектами, например атомами и фотонами. Это позволяет им развивать три основных направления квантовых технологий: квантовые вычисления, квантовые коммуникации и квантовые сенсоры. Разберемся, что это такое и как это работает.
Квантовые компьютеры: мощь суперпозиции и прочие «чудеса»
Чтобы понять, как работает квантовый компьютер (или квантовый вычислитель, как его чаще называют сами ученые), стоит вспомнить, как работает обычный компьютер. Вся информация в нем закодирована в битах. Бит — как выключатель света: он может быть либо включен (и тогда в памяти сохраняется единица), либо выключен (ноль). Все сложные программы, игры и даже видео представляют собой длинные цепочки таких нулей и единиц. Процессор считывает и обрабатывает их последовательно, хоть и делает это очень быстро.
Квантовый компьютер оперирует не битами, а кубитами (квантовыми битами). В чем их главное отличие от классических собратьев? Благодаря квантовому эффекту, называемому суперпозицией, кубит может находиться в состоянии 0, в состоянии 1 или в обоих состояниях одновременно.
Чаще всего физики проводят аналогию с монетой. Хотя она и не совсем точная, но позволяет примерно представить себе суперпозицию. Обычный бит — это монета, лежащая на столе вверх орлом или решкой. Кубит — это монета, которую раскрутили на столе. Пока она вращается, нельзя сказать, что она упала на одну из сторон. Она будто бы и орел, и решка одновременно. Только накрыв монету рукой и остановив ее вращение (произведя измерение), мы узнаем, какое конкретное значение из двух она приняла.
Именно благодаря суперпозиции любая квантовая система может находиться в множестве состояний одновременно. Это свойство позволяет квантовому компьютеру решать определенные задачи не последовательно, а «параллельно». Берем это слово в кавычки, потому что оно тоже не совсем верно отражает происходящее. Но так мы сможем хотя бы немного приблизиться к пониманию причудливого квантового микромира, который совершенно не похож на привычный нам макромир.
Вспомним пример с берегом океана в начале этого текста. Предположим, что у нас есть лодка, на которой нам нужно преодолеть прибрежный риф, чтобы выйти в открытое море. Обычный компьютер (наша лодка) будет пробовать найти решение, проходя по каждому каналу рифа по очереди. В конце концов лодка найдет выход в открытое море, но на это у нее уйдет много времени. Квантовый компьютер (словно морская вода) сразу же отыщет выход, просочившись по всем каналам рифа одновременно.
Это не значит, что квантовый вычислитель находит ответы быстрее классических процессоров во всех поставленных перед ним задачах. Для просмотра и анализа видео такой компьютер использовать бессмысленно. Но для задач оптимизации маршрутов передвижения, моделирования новых веществ, которые станут основой лекарств или материалов будущего, а также взлома шифров преимущество квантового компьютера даже перед суперкомпьютерами может быть колоссальным.
Что собой представляют кубиты в квантовом компьютере
Впервые идея использования объектов со «странными» квантовыми свойствами для решения задач пришла на ум Ричарду Фейнману. Это произошло в 1981 году. Великий физик предположил: раз мы не можем понять и спрогнозировать поведение квантовых объектов микромира с помощью классической логики, можно попробовать «смоделировать» нужные нам условия с помощью управляемых человеком квантовых объектов. Таким образом, он сформировал концепцию квантового симулятора.
В 1985 году еще один выдающийся физик, Дэвид Дойч, описал концепцию «универсального квантового компьютера». Однако позднее оказалось, что создать послушный людям кубит невероятно сложно. Квантовые состояния очень хрупкие. Любое вмешательство извне — изменение температуры, вибрации, электромагнитный шум — может разрушить суперпозицию.
Разрушение это называется декогеренцией. Поэтому поначалу главной инженерной задачей было изолировать кубиты от внешнего мира, сохранив при этом возможность управлять ими.
Сегодня в мире существует четыре самых перспективных платформы для создания квантовых вычислителей.
- Сверхпроводники. Это, пожалуй, самое известное направление. Знаменитые «золотые люстры» компаний Google иIBM — это огромные холодильники, в которых держат «нежные» сверхпроводниковые кубиты.
Последние представляют собой микросхемы, охлажденные до температур, близких к абсолютному нулю (внутри «люстры» холоднее, чем в открытом космосе). Преимущество этой платформы в том, что ее можно создавать, используя технологии, похожие на те, что применяются при производстве привычных компьютерных чипов.
- Ионы, захваченные в ловушки. Такие системы создают компании IonQ и Quantinuum (ранее Honeywell).
В них роль кубитов выполняют отдельные атомы, лишенные электронов (ионы). Их удерживают в вакуумной ловушке с помощью электромагнитных полей, как будто подвешивая в пустоте. Управляют ими с помощью лазеров. Ионы демонстрируют более устойчивую связь друг с другом и долго хранят квантовую информацию. Но система становится менее устойчивой при попытке увеличить количество ионов в ловушке.
- Фотоны. Квантовые компьютеры на фотонах создает компания Photonic Inc.
Здесь носителем информации является частица света. Фотоны быстро движутся и слабо взаимодействуют с окружением, что делает их устойчивыми к «шумам». Квантовые компьютеры на фотонах могут работать при комнатной температуре, что является огромным плюсом. Однако заставить фотоны взаимодействовать друг с другом для вычислений — еще одна сложнейшая инженерная задача.
- Нейтральные атомы. В этой платформе обычные атомы удерживаются в нужном положении с помощью «оптических пинцетов» — сфокусированных лазерных лучей. Эта технология позволяет создавать очень плотные массивы кубитов, что полезно для масштабирования систем до сотен и тысяч кубитов. Квантовые компьютеры на нейтральных атомах собираются производить такие компании, как QuEra Computing, Pasqal, Inflection AI.
Помимо этих четырех платформ-лидеров существуют и менее популярные решения. Например, в качестве кубитов инженеры тестируют квантовые точки и дефекты в кристаллической решетке алмаза. «Алмазные» кубиты интересны тем, что могут работать при комнатной температуре и подходят для создания компактных сенсоров. Но для полноценных вычислений их сложнее объединять в большие системы.
Добавим, что каждая из платформ имеет свои плюсы и минусы. Пока никто из ученых не может сказать наверняка, какая технология станет стандартом в будущем. Не исключено, что одни квантовые компьютеры будут лучше справляться с задачами оптимизации и финансовой сферы, а другие — с проектированием материалов с нужными свойствами.
Возможно, что ученые также создадут гибридные системы, сочетающие разные подходы. Кроме того, квантовые компьютеры могут стать сопроцессорами для суперкомпьютеров, решая те части больших задач, которые непреодолимы для классической логики и машинного обучения.
Какие проблемы еще нужно решить
Квантовые процессоры (QPU) пока еще не стоят не только в каждом доме, но и недоступны большинству компаний. Почему так происходит? Дело в том, что инженеры пока еще решают сразу несколько проблем.
- Первая: коррекция ошибок
Любой внешний шум, будь то тепло, вибрации и даже космические лучи, разрушает хрупкое квантовое состояние. Чтобы побороть возникающие ошибки, ученые создают алгоритмы их коррекции. Так как скопировать состояние кубита нельзя (это запрещено законами физики), то информацию одного «полезного» кубита распределяют на сотни «страховочных» кубитов. Если один даст сбой, то другие помогут побороть ошибки вычислений.
- Вторая: физические vs логические кубиты
Когда в новостях пишут «создан 100-кубитный процессор», речь идет о физических кубитах — тех самых хрупких «квантовых битах». Для реальных и полезных расчетов нужны логические кубиты — те самые, что «собраны» из множества физических кубитов. Таким образом, один надежный логический кубит может основываться на тысячах «шумных» физических.
- Третья: интерконнекты
Один из возможных вариантов решения проблемы масштабирования квантовых вычислителей — соединение в вычислительную сеть нескольких квантовых процессоров, например на 100 кубитов. Но, чтобы такие QPU могли обмениваться сигналами между собой, будет недостаточно соединить их обычными медными проводами — так не удастся передать квантовое состояние. Поэтому ученым нужны особые интерконнекты. Как их реализовать, инженеры пока не решили.
- Четвертая: квантовая память
В обычном ноутбуке можно сохранить файл и выключить питание. В квантовом вычислителе полезная информация сохраняется в квантовом состоянии системы доли секунды. Инженеры мечтают создать «квантовый жесткий диск», который научится надолго запоминать состояние кубитов. Работы ведутся, но идеальное решение все еще не найдено.
- Пятая: специальные алгоритмы
Даже если завтра физики соберут идеально работающий квантовый компьютер, для него будут нужны программы. Квантовая логика отличается от классической, а значит, привычные алгоритмы нельзя запустить на кубитах. Новые алгоритмы ученые только придумывают. Кстати, в этой сфере работает много женщин.
Квантовые коммуникации: защита информации
Пока инженеры соревнуются в создании мощных квантовых процессоров, специалисты по безопасности готовят защиту от них. Дело в том, что достаточно мощный квантовый компьютер в будущем сможет взломать современные системы шифрования. Сколько именно кубитов для этого понадобится, пока неизвестно. Но в 2025 году инженеры Google пришли к выводу, что для взлома популярного алгоритма RSA-2048 достаточно будет порядка миллиона физических «квантовых битов». Поясним, о чем идет речь.
Классическое шифрование
Сегодня защита данных в интернете (будь то пароли, банковские переводы, переписки в мессенджерах) основана на математической сложности задачи факторизации чисел. Самый распространенный метод шифрования — RSA, названный так по первым буквам фамилий изобретателей (Rivest, Shamir и Adleman).
Чтобы расшифровать данные, которые были «спрятаны» с помощью RSA, нужно подобрать ключ шифрования. Но сделать это крайне сложно, так как для этого нужно разложить огромное число на множители в виде больших простых чисел.
Обычному компьютеру на поиск простых множителей потребуются тысячи лет. Поэтому такая защита пока считается достаточно надежной. Однако квантовый компьютер может решить эту задачу с помощью квантовых алгоритмов, согласно последним оценкам, за неделю с помощью 1 млн «шумных» кубитов или даже 100 тыс. физических кубитов. Когда это произойдет, вся современная защита данных окажется под угрозой. Чтобы противостоять этому, развиваются два направления: квантовое шифрование и постквантовое шифрование.
Квантовое шифрование, или Квантовое распределение ключей
Квантовое шифрование защищает информацию не с помощью сложной математики, а с помощью законов физики. Основной метод называется квантовым распределением ключей (КРК). Для него необходимо оборудование, которое создает квантовые ключи шифрования.
Представьте, что Алиса хочет отправить Бобу секретный ключ. Она отправляет ему фотоны в определенных квантовых состояниях. Если между ними появится шпион (его называют Ева), который попытается перехватить или измерить эти фотоны, он неизбежно изменит их состояние. Таков закон квантовой механики: наблюдение влияет на объект.
Боб и Алиса сразу заметят эти изменения по уровню ошибок в передаваемых последовательностях. Если они понимают, что кто-то «подслушивал», то отбрасывают скомпрометированный ключ и начинают передачу заново. Если же ошибок нет, они могут быть уверены на 100%, что ключ никем не перехвачен, а значит, данные надежно зашифрованы. Это создает канал связи, который физически невозможно прослушать незаметно. Сегодня уже существуют коммерческие линии квантовой связи, которые защищены квантовым шифрованием.
Если в классическом шифровании ключ меняется каждые 15 месяцев, а смена ключа требует больших затрат времени и усилий, то квантовые ключи можно менять каждые пять минут. Это значительно повышает стойкость защиты информации.
Постквантовое шифрование
Второй подход для защиты передаваемых по сетям данных — постквантовая криптография. Здесь не используется специальное квантовое оборудование. Вместо этого математики разрабатывают новые алгоритмы шифрования, которые основаны на задачах, сложных не только для обычных компьютеров, но и для квантовых.
Согласно дорожным картам самых разных стран, вся критическая информационная инфраструктура должна мигрировать на новые способы шифрования максимум к 2035 году.
Это похоже на гонку вооружений: как только появляется новый способ взлома, создается новый, более хитрый замок. Постквантовые алгоритмы можно запустить на обычном смартфоне или сервере. Это делает их внедрение более простым и дешевым по сравнению с квантовыми линиями связи. Но, скорее всего, в будущем интернет будет защищен комбинацией обоих методов: постквантовая математика для массового использования и квантовая физика для каналов особой важности.
Квантовые сенсоры: чувствительность нового уровня
Третье направление квантовых технологий, о котором говорят меньше, чем о компьютерах, но которое может раньше всех изменить нашу жизнь, — это квантовые сенсоры.
Если квантовые компьютеры — это мозг будущего, то сенсоры — это его сверхчувствительные органы. Существует мнение, что идея использовать «хрупкие» квантовые состояния в качестве датчиков изменений внешней среды пришла ученым в голову, когда они осознали, насколько сложно бороться с ошибками в квантовых вычислителях. Однако это не совсем так. А порой группы физиков, которые сегодня занимаются созданием квантовых компьютеров, раньше готовили системы, например, для стандартов частоты (необходимы для ультраточного измерения времени).
Как бы то ни было, сегодня физики используют квантовые состояния для измерения времени, магнитных полей, гравитации и температуры с точностью, недоступной никаким классическим приборам.
Чувствительность квантовых датчиков настолько высока, что они могут реагировать на изменения, которые раньше считались неизмеримыми. Это открывает новые удивительные возможности в самых разных сферах.
Навигация без спутников
Например, мы привыкли полагаться на сигналы GPS или ГЛОНАСС для навигации. Но спутниковый сигнал можно заглушить и даже подделать, а еще он теряется под водой и в глубоких ущельях в горах, что уж говорить о космосе, вдали от Земли. При этом устройствам, созданным человеком, необходимо ориентироваться и там.
Квантовые сенсоры позволяют создавать системы инерциальной навигации нового поколения. Например, квантовые акселерометры и гироскопы могут отслеживать малейшие изменения движения объекта. А квантовые магнитометры способны измерять магнитное поле Земли с невероятной детализацией. Ориентируясь по подробнейшим магнитным картам планеты, подводные лодки или рои беспилотников получат полную автономность и независимость от внешней инфраструктуры.
Исследования мозга и медицина
Другой яркий пример использования сверхчувствительных датчиков нового поколения — медицина. Человеческий мозг работает благодаря электрическим импульсам клеток нервной ткани — нейронов. Но там, где есть ток, возникает и магнитное поле. Оно чрезвычайно слабое, в миллионы раз слабее магнитного поля любого домашнего гаджета, однако и этого достаточно для изучения работы мозга на невероятно высоком уровне детализации.
Традиционные приборы для измерения магнитных полей мозга (магнитоэнцефалографы) требуют охлаждения жидким гелием и стоят очень дорого. Электроэнцефалография не дает нужного уровня точности. А квантовые сенсоры, например на основе дефектов в алмазе или облаков атомов, могут работать при комнатной температуре или быть гораздо компактнее.
В будущем такие датчики можно будет использовать для исследования мозга в обычной клинике. Врачи смогут с невероятной точностью отслеживать активность нейронов в реальном времени. Это поможет лучше понять природу эпилепсии, болезни Альцгеймера, депрессии и других психоэмоциональных состояний, а также создать более эффективные методы лечения. Точность таких датчиков настолько высока, что они могут регистрировать сигналы от отдельных групп нейронов, открывая новую эру в нейроинтерфейсах.
Россия в квантовой гонке
Квантовые технологии сегодня — это вопрос национальной безопасности и лидерства в экономике. Многие эксперты все чаще называют квантовые решения новым ИИ, а страны по всему миру вкладывают миллиарды в исследования. Некоторые государства уже запретили экспортировать системы с 35 кубитами и более.
Россия с ее традиционно сильными физическими школами занимает активную позицию в сфере квантовых технологий.
В 2019 году в нашей стране главным по квантовым вычислениям выбрали «Росатом». Развивать сеть квантовых коммуникаций поручили РЖД. Масштабные программы объединили усилия ведущих научных центров и университетов. Сейчас к поиску полезных задач для квантовых компьютеров подключают промышленных партнеров, а квантовая сеть уже в 2030 году должна охватить 15 тыс. км, связав Москву, Санкт-Петербург, Сочи и крупные города на востоке России. В 2028 году в нашей стране должен быть запущен спутник, который будет раздавать квантовые ключи с орбиты Земли. Это позволит организовать защищенный канал связи между любыми точками планеты, в том числе с посольствами за границей.
Российские ученые достигают впечатляющих результатов. Например, специалисты Российского квантового центра (РКЦ), МГУ, МИСИС и ФИАН регулярно публикуют исследования в ведущих мировых журналах. В России уже созданы работающие прототипы квантовых компьютеров на разных платформах, включая сверхпроводящие кубиты и захваченные ионы. Есть наработки по созданию более эффективных квантовых вычислений с помощью планарных ловушек.
В области сенсоров российские разработчики создают компактные квантовые магнитометры и атомные часы, которые могут стать основой для независимой навигации.
Будущее молодых людей в квантовой эре
Кажется, что еще вчера квантовые технологии были предметом споров физиков-теоретиков. Однако уже сегодня они становятся инженерной реальностью. Квантовые технологии изменят медицину, финансы, логистику и безопасность. Но для развития новой индустрии нужны молодые специалисты.
Современная квантовая физика требует междисциплинарных знаний. Нужно понимать физику, чтобы управлять атомами и строить сверхпроводниковые схемы, знать программирование, чтобы создавать алгоритмы для кубитов, и разбираться в инженерии, чтобы иметь возможность настроить сложное оборудование, работающее при температурах, близких к абсолютному нулю.
Для нового поколения квантовых искателей под эгидой «Росатома» были созданы «Уроки цифры» (1 и 2). Это всероссийский образовательный проект, помогающий школьникам и их родителям погрузиться в мир ИТ и высоких технологий. Здесь в интерактивной форме рассказывается, как функционируют кубиты, основы квантовой криптографии подаются простым языком, а также рассказывается о возможностях квантовых сенсоров. Можно даже выполнить практические задания и получить диплом о прохождении курса. Кстати, квантовые «Уроки цифры» уже прошли порядка 8,5 млн школьников в стране.
Профильное образование по квантовой тематике можно получить в одном из десятков вузов России. Достижения российских ученых показывают, что у нас есть сильный задел для будущего. Но развитие технологий во многом зависит от тех, кто придет в науку завтра.
