Вы слышали о квантовой механике, а теперь пора знакомиться с квантовыми инженерами. Спустя десятки лет пребывания в лаборатории, квантовая наука постепенно превращается в технологию, которая будет влиять на вашу повседневную жизнь. Если этим амбициозным планам суждено сбыться, к 2020 году в Великобритании может появиться самый мощный квантовый компьютер в мире, безопасная квантовая сеть на всю страну и многочисленные квантовые отрасли.
Эта миссия стартовала в 2013 году, когда канцлер Великобритании Джордж Осорн объявил об инвестиции 270 миллионов фунтов стерлингов в квантовые технологии. В настоящее время ученые собираются в центрах, сосредоточенных на конкретных областях — вычислениях, коммуникациях, датчиках и средствах визуализации, — с целью создать полезные квантовые устройства за пять лет, начиная с 2015 года.
В прошлом месяце команды этих ученых провели свою первую ежегодную встречу Quantum IK в Оксфордском университете, чтобы обсудить свою пятилетнюю дорожную карту и потенциальные препятствия, которые нужно будет преодолевать — не в последнюю очередь и устоявшееся мнение о том, что квантовые технологии слишком странные, чтобы быть полезными.
«Когда вы говорите с широкой общественностью о квантовой физике, первое, о чем она думает, это что-то жуткое из области философии, — рассказал на встрече Питер Найт из Имперского колледжа в Лондоне. Это нужно изменить. — Наше основное послание такое: теперь это развивающаяся технология».
Ян Волмсли, глава центра квантовых вычислений в Оксфорде, говорит, что фундаментальная наука продвинулась достаточно далеко, чтобы воплотить эту мечту в реальность. «В настоящее время необходим инженерный толчок, который выведет на следующий уровень».
В отличие от обычного компьютера, который работает с бинарными битами, «кубиты» квантового компьютера могут быть 0 и 1 одновременно. Эта функция предлагает возможности для массивных повышений скорости работы, когда дело доходит до определенных проблем вроде поиска по базам данных или машинного обучения. Но если бинарные биты основаны на надежных кремниевых транзисторах, к единому мнению относительно создания квантовых машин пока не пришли.
Волмсли и его коллеги работают над системой на базе захваченных ионов, отдельных заряженных атомах, которые удерживаются на месте электромагнитными полями и облучаются лазерами, считывающими и записывающими на них информацию. Называется она Q20:20, поскольку за два года ученые планируют создать 20-кубитное устройство, выходящее за пределы возможностей современных квантовых компьютеров. К концу 5-летней программы инженеры надеются связать 20 таких систем в 400-кубитный процессор. «Этого достаточно, чтобы выполнять ряд задач, на которые сегодня способны только суперкомпьютеры», — говорит Волмсли.
Сеть кубитов
Такая модульная конструкция использует достижения недавнего прогресса в управлении захваченными ионными кубитами в лаборатории, которые показали, что можно успешно управлять их хрупким квантовым состоянием в мельчайших масштабах. Теперь оксфордская группа и другие разработали способ объединить эти ячейки кубитов в сеть более крупных процессоров. Это означает выход некогда лабораторных экспериментов в область точного квантового оборудования.
«То, что доступно в лаборатории, уже обладает нужной производительностью, — говорит Волмсли. — Если мы сможем показать, что одна из этих маломасштабных вещей работает, не будет никаких препятствий расширить масштаб, останется лишь изготовить больше компонентов».
Поскольку этот компьютер проектируется как сеть, ячейки кубитов потенциально можно разбросать по всей стране, создав своего рода квантовое компьютерное облако, к которому будут иметь доступ много людей — хотя исходный Q20:20 будет, вероятно, привязан к одной лаборатории, говорит Волмсли.
Однако англичанам не придется ждать до 2020 года, поскольку в Великобритании уже строится квантовая сеть другого типа, которая будет доступна общественности уже через пару лет. Тим Шпиллер, возглавляющий центр квантовых коммуникаций в Университете Йорка, строит сети квантового распределения ключей (QKD) на основе оптоволокна в Бристоле и Кембридже, с целью связать два университета через Лондон к концу пятилетки.
QKD включает приведение фотонов к определенным квантовым состояниям для генерации и передачи криптографически безопасного ключа, который можно использовать для шифрования данных, передаваемых по неквантовому каналу. В отличие от существующей криптографии, которая полагается на сложные математические схемы и может быть взломана с использованием достаточно мощных компьютеров, QKD отталкивается от законов физики: любая попытка перехватить ключ поднимет тревогу.
Подобные сети уже имеют место в США и Китае, используются крупным бизнесом и правительством, но сети Великобритании будут доступны для стартапов и даже просто для энтузиастов. «Идея в том, что когда все будет готово, можно будет открыть ее для использования людьми, — говорит Шпиллер. — В Бристоле акцент делается на потребителей, которые открыты для новых технологий», — говорит он, тогда как в Кембридже сеть будут использовать небольшие высокотехнологичные предприятия.
Текущим методам шифрования пока особо ничего не угрожает, но Шпиллер подчеркивает, что QKD со временем сможет обеспечить исключительную безопасность. «Существуют определенные виды данных, работая с которыми, люди озабочены долгосрочной угрозой перехвата и взлома в будущем, — говорит он. — Если вы храните чьи-то медицинские записи или банковские детали, вам не захочется, чтобы их увели через определенное время».
Квантовые ключи одноразовые по своей сути, поэтому нужно обзавестись их стабильной поставкой. Джон Рэрити из Бристольского университета и его коллеги работают над устройством размером с кредитную карту, которое позволит людям получить партию ключей в местах сети вроде банкоматов и использовать их в дальнейшем для входа в различные сервисы. «Пользователи могут получать доступ к хранилищу ключей и делиться ими с надежным источником вроде банка или оператора мобильной связи», говорит Рэрити. Не придется запоминать пароли или PIN-коды — QKD все сделает за вас.
В других британских центрах разрабатываются квантовые устройства вроде камеры, способные видеть невидимые газы, или сверхчувствительные гравитационные детекторы, которые могут искать подземные трубы; возможно, эти технологии будут слабо распространены среди людей, но найдут широкое применение в других сферах. Цель — сделать Великобританию лидером в сфере квантовых технологий.
Другие страны тоже вкладывают деньги в квантовую инженерию. Это не уникально для Великобритании, говорит Рональд Хэнсон из Технологического университета Делфта в Нидерландах. В июле правительство Нидерландов пообещало выделить 135 миллионов евро на разработку квантовых технологий в течение 10 лет, а в прошлом месяце Intel анонсировала 50-миллионное сотрудничество с Делфтом с целью исследования того, как квантовые процессоры могут дополнить следующее поколение высокотехнологичных традиционных компьютеров.
«Переход квантовых технологий из лаборатории на рынок удивительно наблюдать, учитывая то, что мы думали об их применениях с 1980-х годов, — говорит Рэрити. — И только сейчас он действительно начинает окупаться».
Источник:
