XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Квантовые технологии – это современные технологии, основанные на явлениях квантовой физики, которые не могут быть объяснены в рамках классических теорий, таких как законы движения Ньютона, уравнения термодинамики и уравнения Максвелла для электромагнетизма. Ряд уже существующих технологий (например, микроэлектроника, полупроводниковые оптические приборы, лазерная техника и т.д.) используют достижения квантовой физики и широко распространены в настоящее время. Классическая физика стала основой промышленной революции 19 в. Развитие квантовой физики и квантовых технологий привело, в том числе, к буму цифровых технологий в 20-21 вв.

Основной отличительной чертой современных квантовых технологий является выход на новый технологический уровень, позволяющий манипулировать одиночными квантовыми объектами: атомами, ионами, электронами, фотонами и др [2].

Открытие квантовой механики в начале 20 в. связано с большинством технологий: ядерное оружие, лазеры, ускорители частиц, МРТ, полупроводниковая электроника в целом, мобильная связь и интернет. В основу всех этих технологий и устройств легло управление коллективными квантовыми явлениями, т.е. такими, которые подразумевают взаимодействия на уровне потоков частиц, полей и различных сред.

Этот период развития физики и технологий принято называть «первой квантовой революцией» [3].

Технологии «первой квантовой революции» сегодня применяются практически повсеместно: в компьютерах, мобильных телефонах, планшетах, цифровых камерах, системах связи, светодиодных лампах, МРТ-сканнерах, сканирующих туннельных микроскопах и многих других приборах. По различным экспертным оценкам оценка индустрии «первой квантовой революции» в денежном выражении составляет 3 трлн долл. США в год. При этом закон Мура, описывающий рост производительности современных компьютеров, больше не работает.

С конца 20 в. человечество находится на пороге «второй квантовой революции», которая может оказать на общество еще большее влияние. Ее ключевое отличие от «первой квантовой революции», в которой технологии и приборы строились на управлении коллективными квантовыми явлениями, заключается в способности управлять сложными квантовыми системами на уровне отдельных частиц, например, атомов и фотонов. Технологии, основанные именно на таком высоком уровне контроля над индивидуальными квантовыми объектами, принято объединять термином «квантовые технологии» [1].

Сегодня квантовые технологии начинают играть все более важную роль в вопросах национальной безопасности, а также в таких стратегически важных отраслях, как информационные технологии и медицина. Квантовые технологии востребованы для дальнейшего прогресса во всех стратегических направлениях цифровой экономики, например, для развития искусственного интеллекта в долгосрочной перспективе. Несмотря на то что квантовые технологии обладают большой научной составляющей, этот факт не является препятствием для их быстрого развития и внедрения в индустрию [1]. Компьютерные технологии делятся на три основных субтехнологии (рис. 1).

Квантовые алгоритмы используются для диагностики заболеваний на ранней стадии. Точная и эффективная ранняя диагностика приводит к лучшим результатам и меньшим затратам на лечение. Интересным достижением в этой области может поделиться корпорация Microsoft, исследователи которой совместно с учеными из Университета Кейс Вестерн Резерв (Case Western Reserve University) в Кливленде успешно применили квантовые алгоритмы к методу медицинской визуализации – магнитно-резонансной дактилоскопии (MRF). В то время как традиционная магнитно-резонансная томография может идентифицировать только светлые или темные области, MRF способна точно различать типы тканей, позволяя получать более подробные и интерпретируемые изображения.

Метод успешно применяется для диагностики и лечения рака груди, но исследования проводят и в других направлениях. Например, можно встретить работы по использованию гибридных квантово-механических систем по обработке изображений для классификации злокачественных и незлокачественных пигментных поражений кожи и ранней диагностики рака кожи.

Методы медицинской визуализации, такие как компьютерная, магнитно-резонансная томография и рентгеновское сканирование, стали важным диагностическим инструментом для практикующих врачей за последнее столетие. В то же время на эффективность полученных результатов влияют шум, низкое разрешение и низкая воспроизводимость. Во многом качество изображения определяется программным обеспечением, которое проводит реконструкцию на основе данных, собранных медицинским устройством: томографом, МРТ-сканером. Использование квантовых алгоритмов приводит к ускорению диагностики, а также к существенному улучшению качества полученных изображений. Работы в этом направлении ведутся, например, в MIT [4].

С медицинским направлением связан один из стартапов Российского квантового центра. Проект посвящен созданию сверхчувствительных квантовых сенсоров, магнитометров, для решения медицинских задач. Исследователям уже удалось с высокой точностью и, что не менее важно, неинвазивно задетектировать активность головного мозга с помощью сенсора. В перспективе это упростит решение задач в диагностике многих заболеваний мозга: например, при выявлении эпилепсии – спонтанного возбуждения зон коры головного мозга, которое достаточно сложно диагностировать.

В 2021 г. проект Российского квантового центра QBoard совместно с медико-генетическим центром Genotek ускорили сборку генома с помощью квантовых вычислений [5]. Полученные данные могут применяться для обнаружения онкоклеток и при разработке персонализированной медицины. Также в 2021 г. на базе МГУ им. Ломоносова начала работать научно-образовательная школа «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина». Исследователи планируют разработки квантовых сенсоров и нанооптики, системами хранения, обработки и передачи информации в области цифровой и радиационной медицины.

Список источников

1. Дорожная карта развития «сквозной» цифровой технологии «квантовые технологии» ДК (digital.gov.ru)

2. Квантовые технологии: кому и зачем это нужно? Квантовые технологии: кому и зачем это нужно? (msu.ru)

3. На пороге квантового будущего На пороге квантового будущего – Наука – Коммерсантъ (kommersant.ru)

4. Таблетка от смерти: как квантовые алгоритмы меняют медицину Таблетка от смерти: как квантовые алгоритмы меняют медицину | РБК Тренды (rbc.ru)

5. Boev, A.S., Rakitko, A.S., Usmanov, S.R. et al. Genome assembly using quantum and quantum-inspired annealing. Sci Rep11, 13183 (2021). https://doi.org/10.1038/s41598-021-88321-52004.06719.pdf (arxiv.org)