«Те, кого не шокирует, когда впервые сталкиваются с квантовой теорией, вероятно, не могут ее понять» Нильс Бор.

«Если вы думаете, что разбираетесь в квантовой механике, вы не понимаете квантовую механику» Ричард Фейнман.

«Вселенная не только более странная, чем мы думаем, но и более странная, чем мы можем думать» Вернер Гейзенберг.

Три цитаты трех известных квантовых физиков. Можно с уверенностью сказать, что существует широкий консенсус в отношении того, что попытка понять квантовую механику – это не обычная головоломка для воскресного утра. Однако квантовая механика – это не просто ошеломление и пища для энергичных размышлений. На самом деле, хотя мы, возможно, и не в состоянии полностью понять это, технологии, основанные на нашем понимании квантовой механики, уже повсюду вокруг нас.

Транзисторы и полупроводники в компьютерах и инфраструктурах связи являются примерами квантовых технологий «первого поколения». Но лучшее еще впереди. Благодаря более глубокому пониманию квантовых явлений, таких как «суперпозиция» и «запутанность», в настоящее время происходит «вторая квантовая революция», позволяющая разрабатывать новые и революционные квантовые технологии.

Поскольку эти технологии принесут принципиально новые возможности как в гражданских, так и в военных сферах, квантовые технологии в последние годы вызвали значительный интерес со стороны промышленности и правительств. Крупные технологические компании, такие как IBM, Google и Microsoft, тратят сотни миллионов долларов на исследования и разработки в области квантовых вычислений в гонке за «квантовое превосходство». Точно так же правительства признали преобразующий потенциал и геополитическую ценность приложений квантовых технологий, а Соединенные Штаты, Европейский Союз и Китай создали свои собственные исследовательские программы стоимостью более 1 миллиарда долларов.

Принципы, лежащие в основе квантовых технологий

Не вдаваясь в подробное объяснение квантовой механики, стоит кратко обсудить несколько ключевых основополагающих принципов, которые помогут понять потенциальное применение квантовых технологий.

Квантовые технологии используют физические явления на атомном и субатомном уровнях. В основе квантовой механики лежит то, что в этом атомном масштабе мир «вероятностен», а не «детерминирован».

Это понятие вероятности стало предметом всемирно известных дебатов между Альбертом Эйнштейном и Нильсом Бором на пятой Сольвеевской конференции по физике, состоявшейся в октябре 1927 года в Брюсселе. Конференция собрала 29 самых известных физиков того времени (17 из них позже стали лауреатами Нобелевской премии), чтобы обсудить на тот момент недавно сформулированную квантовую теорию.

В так называемых «дебатах века» во время Сольвеевской конференции 1927 года Нильс Бор защищал новую теорию квантовой механики, сформулированную Вернером Гейзенбергом, тогда как Альберт Эйнштейн пытался отстоять детерминированную парадигму причины и следствия. Альберт Эйнштейн заявил, что «Бог не играет в кости», после чего Нильс Бор возразил: «Эйнштейн, перестань указывать Богу, что делать».

В настоящее время научное сообщество соглашается с тем, что Нильс Бор выиграл дебаты. Это означает, что в нашем мире нет фиксированного сценария, основанного на причине и следствии, но на самом деле все зависит от случая. Другими словами, вы можете знать все, что нужно знать о Вселенной, и при этом не знать, что будет дальше.

Эта новая вероятностная парадигма привела к лучшему пониманию некоторых ключевых свойств квантовых частиц, которые лежат в основе квантовых технологий, в первую очередь «суперпозиции» и «запутанности». Улучшенное понимание этих фундаментальных квантовых принципов – вот что стимулировало развитие квантовых технологий следующего поколения: квантового зондирования, квантовой связи и квантовых вычислений.

Ключевые принципы, лежащие в основе квантовой механики

Настоящие и будущие приложения

В то время как квантовые вычисления вызвали наибольший ажиотаж вокруг квантовых технологий, существует уже целый мир квантового восприятия и квантовой коммуникации. Этот мир – увлекательный и многообещающий.

Квантовое зондирование

Квантовые сенсоры основаны на ультрахолодных атомах или фотонах, тщательно управляемых с помощью суперпозиции или запутывания в определенных «квантовых состояниях». Используя тот факт, что квантовые состояния чрезвычайно чувствительны к возмущениям, квантовые датчики могут измерять крошечные различия во всех видах свойств, таких как температура, ускорение, сила тяжести или время.

Квантовое зондирование может изменить нашу технологию измерения и обнаружения. Оно не только обеспечивает более точные и чувствительные измерения, но и открывает возможности для измерения вещей, которые мы никогда раньше не могли измерить. Квантовые датчики могут позволить нам точно узнать, что лежит у нас под ногами с помощью картографирования под землей; обеспечить системы раннего предупреждения об извержениях вулканов; позволить автономным системам «заглядывать» за угол; и предоставить портативные сканеры, которые отслеживают активность мозга человека.

В то время как квантовые технологии могут показаться технологиями далекого будущего, первые квантовые датчики фактически уже представлены на рынке (например, атомные часы и гравиметры). Забегая вперед, мы можем ожидать, что в течение ближайших пяти-семи лет станет доступно больше приложений квантового зондирования, включая устройства квантовой навигации и синхронизации (PNT), а также технологии квантовых радаров в качестве приложений, на которые следует обратить внимание.

Квантовая коммуникация

Потенциал квантовой связи основан на ее обещании обеспечить «сверхбезопасную» передачу данных, потенциально даже полностью невзламываемую. В настоящее время обмен данными основан на потоках электрических сигналов, представляющих собой «1» и «О», проходящих по оптиковолоконным кабелям. Хакер, которому удается подключиться к этим кабелям, может считывать и копировать эти биты. С другой стороны, в квантовой связи передаваемая информация кодируется в квантовой частице в виде суперпозиции «1» и «О», так называемый кубит. Из-за чувствительности квантовых состояний к внешним возмущениям всякий раз, когда хакер пытается перехватить передаваемую информацию, кубит «схлопывается» до «1» или «О», тем самым уничтожая квантовую информацию и оставляя лишь подозрительный след.

Первое применение квантовой связи называется «квантовое распределение ключей» (QKD), которое использует квантовые частицы для обмена криптографическими ключами. В QKD фактические данные передаются по традиционной инфраструктуре связи с использованием обычных битов, однако криптографические ключи, необходимые для дешифрования данных, передаются отдельно с использованием квантовых частиц. В QKD уже ведутся обширные эксперименты с использованием как наземной, так и космической связи. В 2016 году Китай запустил первый в мире спутник квантовой науки «Micius», который продемонстрировал межконтинентальные QKD «земля-спутник» и «спутник-земля», обеспечив видеоконференцию между Пекином и Веной.

«Квантовая телепортация» станет следующим шагом в квантовой коммуникации. В то время как в QKD криптографические ключи распределяются с использованием квантовой технологии, при квантовой телепортации сама информация передается с использованием запутанных квантовых пар. Наибольшее расстояние, на котором к настоящему времени была достигнута квантовая телепортация по оптиковолоконному кабелю, составляет 50 километров, и в ближайшие годы задача состоит в масштабировании квантовой телепортации. Это необходимо, чтобы обеспечить безопасную связь на больших расстояниях.

Конечная цель