В последние годы информационные технологии испытывают стремительный рост, растет и осведомленность обывателя о них. Например, все большему кругу лиц становится известно, что под искусственным интеллектом зачастую подразумевается специально обученная нейросеть, предназначенная для решения конкретных задач, а не абстрактный «мозг» компьютера, который в состоянии заменить человеческий.
Однако остаются и такие технологии, о которых говорят заметно меньше, а их принципы работы находятся для рядового пользователя где-то за гранью реальности. Одна из них – квантовые вычисления.
Что такое квантовые технологии?
Квантовые технологии – это перспективное направление в современной физике, которое изучает квантовую механику и применяется в разработке инноваций на основе квантовых объектов – атомов, молекул, фотонов, электронов и специально созданных макроструктур. Наиболее амбициозным полем применения технологии на сегодняшний остается создание квантового компьютера, вычислительные мощности которого превосходят современные суперкомпьютеры в разы. Например, классический компьютер разложит число с 500 десятичными знаками на простые множители за 5 млрд лет, в то время как квантовый, в теории, выполнит ту же операцию за 18 секунд.
Такая высокая производительность квантовых машин объясняется использованием кубитов в качестве наименьшей единицы информации в квантовых вычислениях. Стандартные двоичные биты, которые используют современные компьютеры, могут представлять только одно двоичное значение «0» или «1», кубиты же могут представлять как «0» и «1», так и любую их долю в суперпозиции обоих состояний с определенной вероятностью того, что он равен 0, и определенной вероятностью того, что он равен 1. Это значительно ускоряет расчеты, поскольку кубиты не перебирают последовательно все возможные комбинации, а производят вычисления практически одномоментно.
Мощность нынешних компьютеров в среднем составляет порядка 60 кубитов, однако прогресс движется быстро, и планка продолжает расти. Например, компания IBM представила дорожную карту разработки квантовых компьютеров, в которой целью устанавливалось создание к 2023 году квантового компьютера мощностью в 1000 кубитов. У компании Google план по созданию к 2029 году квантового компьютера мощностью в миллион кубитов. Эксперты считают, что ближайшие пять-десять лет будут очень бурными для развития отрасли квантовых вычислений.
При этом единого представления об оптимальной конфигурации квантового компьютера и единых стандартов его создания нет, они разрабатываются разными исследовательскими группами на разных платформах – физических объектах, на которых размещается и сохраняется квантовое состояние кубитов. Основными платформами выступают сверхпроводники, ионы, нейтральные атомы и фотоны. Кубиты предъявляют особые требования к условиям внешней среды и уничтожаются или искажаются, если эти требования не соблюдаются. Инженеры квантовых компьютеров учитывают это, и для каждой машины создается подобие микроклимата – квантовые компьютеры охлаждаются за счет гелиевой системы охлаждения, это необходимо для поддержания оптимальной температуры. В противном случае кубиты, а следовательно, и вся система, становятся бесполезны.
На сегодняшний день квантовые компьютеры применяются только в лабораториях из-за технических ограничений, однако получить к ним доступ возможно. На помощь приходит облачные сервисы – так, например, Microsoft запустила сервис Azure Quantum, через который можно получить удаленный доступ к вычислительным мощностям для квантовых вычислений. Однако эксперты считают, что по мере достижения технологией зрелости она будет становиться более доступной.
Техническая сложность квантовых компьютеров компенсируется широкими горизонтами возможностей для вычислений, которые они предоставляют. С помощью таких вычислительных мощностей специалисты и исследователи смогут синтезировать новые материалы, подбирать состав для композитных материалов, лекарств, оптимизировать процессы или эффективнее работать с данными и делать более точные прогнозы. Аналитики отмечают, что применение квантовых вычислений найдет отклик в бизнесе и финансовой сфере, где они могут быть использованы для прогнозирования, построения моделей, оптимизации бизнес-процессов и инвестиционных портфелей.
Также квантовые компьютеры будет возможно применять в медицине и фармацевтике, в последней вычисления помогут ускорить поиск белковых структур, что позволит быстрее искать оптимальные рецепты новых лекарств и персонализировать медицину. Также вычисления можно применять для диагностики заболеваний. Так, например, компания D-wave уже использовала квантовое устройство для выявления некоторых разновидностей рака у больных.
Помимо этого, квантовые вычисления смогут обеспечить оптимизацию и в логистике. В этой отрасли уже есть опыт успешного применения – в 2019 году компания Groovenauts в сотрудничестве с Mitsubishi Estate смогли с помощью квантового компьютера оптимизировать вывоз мусора из центральной части Токио. В этом отношении квантовые вычисления могут оказаться особенно полезны, особенно на фоне ставших уже относительно регулярными нарушений цепочек поставок. Применение квантовых компьютеров позволит оперативно сформировать маршруты с учетом множества переменных.
Также квантовые технологии на сегодняшний день стойко ассоциируются с безопасностью данных, что делает закономерным их применение в области информационной безопасности. Ярким примером может послужить технологии квантовой связи, которые в значительно большей степени безопасны, чем традиционные каналы связи. Упрощая, можно отметить, что дело в чрезвычайной чувствительности кубитов к воздействию извне – так, при постороннем вмешательстве кубит видоизменяется, и информация, которая им переносилась, уничтожается или существенно искажается.
Целям обеспечения безопасности может послужить использование квантовых технологий в сенсорах – в будущем предполагается, что квантовые датчики возможно будет использовать для обнаружения подводных лодок и летательных аппаратов. На основе квантовых устройств возможно будет создать навигационные системы без внешних опорных сигналов, таких как, например, GPS.
Мировой рынок квантовых вычислений
Поскольку квантовые технологии открывают новые горизонты возможностей для многих отраслей, в последние годы как государства, так и частный сектор проявляют к ним растущий интерес. Крупные технологические компании, такие как IBM, Google и Microsoft, вкладывают сотни миллионов долларов на исследования в сфере квантовых вычислений в погоне за «квантовым превосходством».
Мировой рынок квантовых вычислений привязан к общему развитию квантовых технологий и по этой причине находится в стадии формирования. В 2022 году объем рынка квантовых вычислений составил порядка $10 млрд, что представляет собой рост на 37% относительно предшествующего года. Эксперты считают, что высокие темпы ежегодного прироста сохранятся, и к 2030 году общий объем рынка достигнет отметки в $125 млрд. Такой бурный рост аналитики связывают с активным участием в секторе крупных технологических компаний, что уже привело к серьезному росту объема инвестиций и развитию квантовых компьютеров.
Аналитики отмечают, что частные инвестиции в отрасль стали в крупных объемах привлекаться с 2018 года, и с тех пор их объем стремительно растет. На рынке появляются новые игроки, и капитализация некоторых из них уже превышает миллиард долларов. Так, первой такой компанией в квантовой отрасли стал американский стартап IonQ, выпускающий квантовые процессоры на ионной платформе. Общая стоимость акционерного капитала этой компании оценивается в $2 млрд. Второй компанией, перешагнувшей через отметку в миллиард долларов, стала британская компания Arqit, занятая в разработке системы защищенной спутниковой связи, достигнув капитализации в $1,4 млрд.
Вы можете дочитать этот и другие материалы сайта, оформив подписку.
