Интернет с кубитами и диагностика аутизма: где применять квантовые технологии

Организация Объединённых Наций не просто так объявила 2025-й Годом квантовой науки и технологий. Он приурочен к столетию рождения квантовой механики, которая позволила учёным по-новому взглянуть на устройство мира. Ещё в 1900 году немецкий физик Макс Планк предположил, что энергия, переносимая светом и другими электромагнитными волнами, связана с частотой волны, излучается и поглощается дискретными энергетическими пакетами. Учёный назвал их «квантами» (от латинского quantus — «сколько»). Через четверть века благодаря трудам немцев Вернера Гейзенберга, Макса Борна и Паскуаля Йордана, а также австрийца Эрвина Шрёдингера возникла полноценная область квантовой физики.

Разобраться в ней довольно сложно, ведь её устройство совсем не похоже на привычную нам со школьной скамьи физику. Например, свет там является и частицей, и волной одновременно. Вот почему мы решили не погружаться в дебри квантовых джунглей, а объяснить, для чего нужны такие технологии и над чем сейчас работают учёные в этой сфере.

Первый в мире коммерческий квантовый компьютер выпустила на рынок компания IBM Фото: © IBM

Квантовые компьютеры 

Технологические гиганты вроде IBM, Google и Microsoft устроили настоящую гонку за кубитами (квантовыми битами) и спорят за звание того, кто построит самый мощный квантовый компьютер. Кажется, что будущее за такими машинами, но в научной среде нет консенсуса относительно того, нужны ли они вообще. Некоторые учёные считают, что для квантовых компьютеров просто нет массовых задач (с которыми бы не справились обычные вычислительные машины). Такой точки зрения, например, придерживается советский, российский и французский физик Мишель Дьяконов из Université de Montpellier.  

Пример задачи для квантового компьютера

Задача коммивояжёра (Travelling Salesman Problem, или TSP) — один из наиболее ярких примеров комбинаторных задач, справиться с которыми под силу только квантовому компьютеру. Речь идёт о том, чтобы найти для торгового агента оптимальный маршрут с посещением заданного числа клиентов при разумных затратах (времени, бензина и т. д.). Если точек, которые нужно посетить, 66 или больше, точное решение методом перебора всех возможных путей займёт миллиарды лет даже у самого высокопроизводительного компьютера, сконструированного на привычной нам сегодня архитектуре. А квантовая машина сможет найти ответ для сотен и тысяч пунктов за разумное время: от нескольких секунд до нескольких часов. 

До 1970-х годов компьютеры работали исключительно на основе архитектуры Джона фон Неймана и логики Алана Тьюринга — это классические вычисления, где информация обрабатывается шаг за шагом, бит за битом. Они хорошо решали многие задачи, но не учитывали квантовую природу мира. В 2012–2014 годах суперкомпьютеры практически упёрлись в потолок вычислительных мощностей, и рост этого показателя серьёзно замедлился. Однако многие убеждены, что и существующих сверхпроизводительных машин достаточно для решения любых насущных задач, ведь возможности у них всё равно колоссальные.

Алан Тьюринг (слева) и Джон фон Нейман Фото: Public domain

«Любая сложная задача требует нормализации и упрощения, и здесь критики квантовых компьютеров отчасти правы. С другой стороны, у нас до сих пор нет точных климатических моделей, моделей движения материи внутри Земли и развития космоса. Поскольку большинство процессов и систем, что нас окружают, имеют квантовую природу, они требуют квантово-механических моделей и инструментов для сбора, обработки и передачи информации. В противном случае нам остаются промежуточные варианты гибридных вычислителей, которые позволяют решать некоторые задачи как квантовые компьютеры, но не в полной мере и не так точно и красиво», — объясняет руководитель группы Научного центра информационных технологий и искусственного интеллекта Университета «Сириус» доктор технических наук Сергей Петренко. 

По его словам, современные суперкомпьютеры достигают производительности порядка 10¹⁸–10²¹ операций в секунду, но дальнейший рост мощности упирается в физические и экономические ограничения. У квантовых компьютеров этот показатель достигает 10⁷⁸, что даёт значительное преимущество в решении задач, особенно переборных. Для сравнения: число атомов в видимой части Вселенной ~10⁸⁰.

Российский гибридный суперкомпьютер «Ломоносов» Фото: © Nadir of Moscow

Квантовый интернет

Всемирная коммуникационная сеть, где потоки данных защищены принципиально лучше, чем в современном интернете, может появиться в ближайшем будущем. Два года назад первый опытный прототип представили в Китае, продемонстрировав рекордную скорость передачи данных в квантовом канале связи протяжённостью 64 км — 7,1 кубита в секунду. 

В том же 2023-м в Гарварде спроектировали опытный прототип квантового интернета с помощью существующей оптоволоконной сети Бостона. В результате появилась «квантовая паутина» протяжённостью 40 км. Однако для развёртывания полноценного интернета с кубитами этих достижений недостаточно, и в ближайшие 10 лет он вряд ли потеснит обычный даже в решении специализированных задач. Зато технология пригодится в гибридных вычислениях.  

Российские учёные и инженеры-исследователи не отстают от американских и китайских коллег в квантовом распределении ключей, которое необходимо для обеспечения безопасности передачи данных. Так, например, Центр квантовых технологий на физическом факультете МГУ им. М. В. Ломоносова успешно развивает направление квантовых коммуникаций через атмосферные и волоконно-оптические каналы связи. Мы уже писали, что в этих технологиях всерьёз заинтересованы банки. 

#Сириус #квантовый компьютер #банки

Зачем банкам квантовые компьютеры

Читать

«Когда говорят о развитии квантового интернета, одним из наиболее востребованных направлений оказывается квантовая защита финансовых систем. Пару лет назад, не дожидаясь технологического и программного обеспечения квантовых коммуникаций,  специалист по теории вычислительных машин и систем американский учёный Питер Шор предложил квантовую модель безопасных цифровых денег. Вскоре появилась идея создания цифрового рубля, и наша группа сейчас работает над обеспечением его безопасности», — говорит Сергей Петренко.

Для обеспечения российских компаний профильными специалистами в области квантовых технологий в Научно-технологическом университете «Сириус» разработаны программы дополнительного профессионального образования «Квантовая информатика и информационная безопасность» и «Практическое применение квантовых алгоритмов». 

Кроме того, создаётся новая образовательная программа для подготовки специалистов по разработке универсальных библиотек квантовых алгоритмов независимо от используемых квантовых платформ и чипов. Разработчики, владеющие навыками создания программ для квантовых компьютеров, получат конкурентное преимущество по мере развития квантовых компьютеров.

Также по новой программе будут готовить специалистов, способных создавать трансляторы квантовых моделей физических процессов и систем, позволяющих синтезировать требуемые высокоточные модели индустриальной размерности.

На диаграмме представлены данные в миллиардах долларов Изображение: © Яна Алябьева / «Сириус(Журнал» / Источник: Kept

Квантовая сенсорика

Квантовые эффекты можно использовать для создания сверхчувствительных датчиков, способных измерять магнитные поля, время, температуру и другие величины гораздо точнее обычных приборов. К примеру, именно на таких технологиях построены современные атомные часы, которые за миллиарды лет могут ошибиться всего на секунду. 

«У нас стартовал совместный проект с Центром когнитивных исследований Университета „Сириус“. Коллеги занимаются серьёзной национальной проблемой — ранним выявлением аутизма у детей. На первом этапе для её решения мы рассматриваем использование всего лучшего, что есть в искусственном интеллекте: нейросетей, машинного обучения, больших языковых моделей. Следующим шагом станет создание квантово-механических неинвазивных инструментов, которые будут улавливать малейшие признаки этой болезни», — рассказывает Сергей Петренко.

В Университете «Сириус» проводят исследования в области квантовых технологий Фото: © Юрий Славин / Медиадом «Сириус»

Речь о создании приборов, которые отслеживают реакции человека на бессознательном уровне, даже если он мастерски пытается их скрыть. Учёные планируют сравнивать нормальные и аномальные паттерны поведения. Также рассматривается провокационное тестирование, когда по реакции на те или иные действия можно будет уловить, в какую модель поведения вписывается испытуемый: штатную или нештатную. 

«Мы не берём на себя функцию арбитра — это задача уполномоченных медицинских сотрудников. Но в будущем мы можем подготовить рекомендательную систему и систему сопровождения диагноза», — добавляет профессор.

Ожидается, что сенсоры на базе квантовых технологий будут использовать медики, генетики и представители наук о жизни. Высокочувствительные приборы позволят улавливать малейшие нарушения в работе головного мозга, иммунные и неврологические заболевания. Понадобятся они и для изучения сложных процессов вроде климатических изменений и фотосинтеза или моделирования гиперзвукового полёта.

«Развивать квантовые технологии жизненно важно, чтобы не отстать от технологического прогресса. Можно было не заниматься развитием суперЭВМ, но тогда учёные не получили бы результаты, например, в области гиперзвука. То же касается и развития космической отрасли. Так что если мы упустим возможность исследовать квантовые технологии сейчас, то лишим себя перспектив в технологическом развитии. К счастью, в России, в частности в Сириусе, это понимают», — резюмирует Сергей Петренко.