XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Квантовая технология – перспективная область физики, занимающаяся изучением квантовой механики и разработкой инноваций на основе кванта – неделимой частицы, атома или фотона. Современные смартфоны и плоские телевизоры являются результатом изучения и внедрения квантовых технологий. Сейчас этот процесс еще не окончен: у этой области большой потенциал.

Самое актуальное направление разработок – создание квантового компьютера, который можно будет использовать для изучения далеких планет или проведения сверхбыстрых расчетов. Помимо этого, квантовые компьютеры являются мощным инструментом вычислений. За считанные секунды, они способны разложить числа в 30-40 знаков на простые множители и открыть доступ даже к самым защищенным данным.

Существует несколько областей развития квантовых технологий.

Квантовые сенсоры – область по разработке сверхточных и чувствительных датчиков, которые можно будет применять, в том числе, и в медицине. Идея о возможности создания устройства, использующего для вычислений квантовые процессы, заключается в том, что лазеры, томографы и сверхчувствительные микроскопы базируются на массовых эффектах, создаваемых большими группами квантовых частиц или волн, которые подчиняются законам квантовой механики. Основная же задача состоит в использовании этих эффектов для отдельных частиц, а не групп в целом.

Процесс разработки и применение квантовых технологий можно разделить на два этапа:

первый начался в середине 20 века – освоение ядерной энергии и создание полупроводниковой электроники;

второй происходит в настоящее время – создание квантового компьютера[2].

В 1981 г. американский физик Р. Фейнман предложил простейшую модель квантового компьютера. Аналогичные идеи высказывались П. Бенниофом и Ю. Маниным.

В 1982 г. появилось понятие квантовой машины А. Тьюринга.

В 1994 г. П. Шор открыл важный алгоритм, позволяющий квантовому компьютеру производить факторизацию больших целых чисел.

В 2000 г. Мюнхенский технический университет продемонстрировал первый 5-кубитный (квантовые биты, которые одновременно могут находиться во всевозможных состояниях (в 1 и 0 одновременно)) работающий квантовый компьютер.

В 2007 г. канадская компания D-Wave Systems продемонстрировала первый 16-кубитный квантовый компьютер.

В 2018 г. компанией Intel была разработана 49-кубитная микросхема.

В соответствии с «Атласом сквозных технологий цифровой экономики России»[1] классификацию квантовых технологий можно изобразить в виде схемы (рис. 1).

С помощью квантовых компьютеров можно оптимизировать множество процессов: от медицины и до машиностроения. Например, у людей появится возможность диагностировать рак на более ранних стадиях. Потенциал квантовых технологий в целом и квантовых компьютеров в частности пока до конца не раскрыт, но однозначно они найдут свое применение в медицине. Например, с помощью некоторых квантовых алгоритмов в потенциале можно будет осуществлять моделирование динамики химических реакций, что, в свою очередь, даст нам возможность разрабатывать новые, более эффективные лекарственные средства. На сегодняшний день прогнозы по лечению конкретных заболеваний давать трудно, однако медикаментозная терапия, например, онкологических и аутоиммунных заболеваний однозначно станет эффективнее.

Нарушения при сворачивании белков могут вызывать серьезные нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Альцгеймера и Паркинсона, и исследователи, тестирующие новые методы лечения, должны понимать, какие лекарства вызывают реакции для каждого белка, с помощью случайного компьютерного моделирования. Однако моделирование сворачивания белков является одной из сложнейших задач биохимии и классическими вычислительными методами на данный момент не реализуется. И здесь, квантовые компьютеры окажутся способны решать подобные задачи.

Если говорить про чувствительный мониторинг течения заболеваний мозга, то особо интересным направлением является магнитоэнцефалография, в которой главную роль играют высокочувствительные квантовые датчики магнитного поля. Мозг человека генерирует магнитные поля. С помощью квантовых сенсоров можно измерять и визуализировать эти магнитные поля, что в перспективе позволит диагностировать опухоли головного мозга, эпилепсию и синдром Альцгеймера неинвазивно и с большей точностью, чем существующие методы, такие как ЭЭГ и МРТ. Также на основе таких сенсоров возможно создать нейроинтерфейсы, т.е. устройства, позволяющие считывать сигналы непосредственно с коры головного мозга [3].

Список источников

1. Атлас сквозных технологий цифровой экономики России / А.Г. Макушкин, Е.А. Осоченко. - Москва: АО «Гринатом», 2019. - 342 с.

2. К – квантовая технология: зачем человечеству суперкомпьютер Что такое квантовая технология и зачем человечеству суперкомпьютер | РБК Тренды (rbc.ru)

3. Квант медицины. Квантовые компьютеры помогут в лечении болезни Альцгеймера Квант медицины – Наука – Коммерсантъ (kommersant.ru)