XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Квантовые технологии относятся к основными «сквозным» цифровым технологиям, которые входят в рамки программы «Цифровая экономика Российской Федерации» [1].

Развитие квантовых технологий полностью соответствует Стратегии научно–технологического развития Российской Федерации (СНТР), Стратегии развития информационного общества Российской Федерации (СРИО) и 204 Указу Президента РФ «О национальных целях и стратегических задачах развития Российской Федерации на период до 2024 года» [2].

Необходимым условием для прорыва в области квантовых технологий является не только поддержка исследований и запуск инфраструктурных проектов национального масштаба, но и реализация организационных мероприятий по преодолению барьеров. Общий бюджет программы, предлагаемой «Дорожной картой развития «сквозной» цифровой технологии «квантовые технологии», составляет 51,1 млрд руб., включая внебюджетное финансирование в размере 8,7 млрд руб.

Практическая разработка квантовых технологий в России началась позже, чем в других странах. В России развиваются три субтехнологии (рис. 1).

Квантовые технологии в значительной мере основываются на достижениях фундаментальной науки в тех направлениях, в которых российские ученые традиционно сильны. Советско-российская школа квантовой физики является одной из сильнейших в мире. Все Нобелевские премии по физике советских и российских ученых связаны с достижениями в области квантовой физики. В России работают десятки научных групп, проводящих исследования мирового уровня. Появившаяся в последнее десятилетие тенденция к возвращению состоявшихся за границей российских ученых и к привлечению зарубежных ученых без российского опыта позволит обеспечить для России потенциал для прорыва и захвата лидирующих позиций в отдельных направлениях квантовых технологий [2].

Квантовые технологии относятся к приоритетным направлениям научно–технологического развития и были упомянуты Президентом РФ В.В. Путиным в Ежегодном Послании Федеральному Собранию в 2016 г.: «Нам нужны собственные передовые разработки и научные решения. Цифровые технологии, другие так называемые сквозные технологии, которые сегодня определяют облик всех сфер жизни. Страны, которые смогут их генерировать, будут иметь долгосрочное преимущество. Другие окажутся в зависимом, уязвимом положении. Это цифровые, квантовые технологии, робототехника, нейротехнология и т.д.» [3].

В рамках реализации национальной программы «Цифровая экономика Российской Федерации» квантовые технологии включены в перечень субтехнологий «сквозных» цифровых технологий (СЦТ) [1].

Под квантовыми технологиями, чаще всего подразумеваются квантовые компьютеры. В свое время классический компьютер появился благодаря квантовой физике. На рубеже XIX и XX веков для решения ряда физических вопросов возникла квантовая теория.

Квантовые компьютеры являются аналогами классических процессоров общего назначения в том смысле, что могут решать любую алгоритмическую задачу, при этом их функционирование существенно базируется на использовании квантовых эффектов.

Однако сфера применения квантовых технологий гораздо шире. Например, уже протянуты многие тысячи километров квантовых сетей, несколько компаний заняты разработкой постквантовых алгоритмов шифрования, тестируются квантовые сенсоры для биомедицинских приложений [4].

Разработка квантового компьютера является чрезвычайно сложной научно- технической задача.

Другое направление развития технологии квантовых вычислений – разработка квантовых симуляторов.

Если классические алгоритмы – это описание команд для работы на привычных персональных компьютерах, то квантовые – это такая же база для совершения вычислений на квантовых устройствах.

Квантовый алгоритм задает последовательность операций и указывает, над какими кубитами, т. е. квантовыми битами эти операции надо совершить.

Квантовые компьютеры работают принципиально иначе, чем классические, и эти различия дают возможность не только решать определенные классы задач, с которыми стандартные компьютеры не справляются, но и проводить вычисления в сотни раз быстрее.

Например, для полного и точного моделирования молекулы пенициллина, которая состоит всего из 41 атома, классическому компьютеру потребуется 1086 бит, квантовому – всего 286 кубит [6].

Объем данных, генерируемых в области наук о жизни, за последние несколько лет экспоненциально увеличился и достиг диапазона в тысячу эксабайт, поэтому вычислительной мощности классических компьютеров не хватает для обработки подобных массивов. Геномика генерирует колоссальные объемы данных: так, на хранение 1 генома человека, состоящего из 3,2 млрд пар оснований ДНК, требуется порядка 800 Мб. Квантовая геномика позволит оперировать этими массивами, чтобы решать глобальные вопросы здоровья населения.

Персонализированные лекарства и в целом персонализированная медицина – один из наиболее востребованных трендов, ведь еще Гиппократ говорил, что нужно «лечить не болезнь, а больного». У разных людей патологические процессы отличаются по своему характеру, то же можно утверждать в отношении эффектов лекарственных препаратов.

Известно, но любой конкретный класс противораковых препаратов неэффективен для 75% пациентов. Поэтому в борьбе с онкологическими заболеваниями важна разработка препаратов, прицельно воздействующих на конкретные типы опухолей.

Такой подход с применением квантовых алгоритмов имеет огромное преимущество перед стандартными методами химиотерапии, которые также воздействуют на здоровые ткани организма, в свою очередь способствуя возникновению новых проблем.

Изучение геномных особенностей клеток позволяет определять чувствительность к лекарствам на клеточном уровне. Например, в мире уже исследуются модели, предсказывающие эффективность противораковых лекарств на гранулированном уровне. Квантово-усовершенствованное машинное обучение может способствовать дальнейшим прорывам в этой области, также выявляя причины неэффективности отдельных лекарственных компонентов.

Сегодня все разрабатываемые препараты сначала тестируются in silico, то есть виртуально. Инструменты виртуального скрининга при изучении больших библиотек соединений, как правило, обходятся дешевле и быстрее, чем тестирование в лаборатории. Но польза виртуальных инструментов зависит от их способности точно моделировать результат, особенно для сложных молекул. Квантовые вычисления способны улучшить виртуальный скрининг не только ускоряя обработку огромных виртуальных библиотек, но и с высокой точностью моделируя взаимодействие лекарств-мишеней – молекул, реагирующих на активное вещество. В перспективе это позволит открывать новые лекарства, опираясь исключительно на виртуальные тестирования [7].

Список источников:

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

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

3. Ежегодное Послание Президента РФ Федеральному Собранию Послание Президента Российской Федерации от 01.12.2016 г. б/н • Президент России (kremlin.ru)

4. Разнообразие квантовых технологий: вычисления, сети, криптография, сенсорикаРазнообразие квантовых технологий: вычисления, сети, криптография, сенсорика / Хабр (habr.com)

5. Указ Президента РФ «О национальных целях и стратегических задачах развития Российской Федерации на период до 2024 года» Президент России (kremlin.ru)

6. Федоров, А. К. Квантовые технологии: от научных открытий к новым приложениям / А. К. Федоров // Фотоника. – 2019. – Т. 13. – № 6. – С. 574-583. – DOI 10.22184/1993-7296.FROS.2019.13.6.574.583. – EDN RKCRML.

7. Что такое квантовая технология и зачем человечеству суперкомпьютер | РБК Тренды (rbc.ru)

Код для цитирования: Скопировать