XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

В последние десятилетия мы наблюдаем стремительный прогресс в области информационных технологий, особенно в развитии квантовых технологий по всему миру. Одной из новых и быстро развивающихся областей знаний является квантовая обработка информации и квантовая связь (КОИКС), которые обладают огромным потенциалом.

Квантовая обработка информации открывает новые возможности в различных научных и технических областях, основываясь на принципах квантовой механики вместо классической физики [1]. Это указывает на огромную вычислительную мощность, превосходящую возможности обычных компьютеров, обеспечивает безопасную связь и способствует развитию квантовых технологий. В данной статье рассматривается вопрос обработки данных в квантовых системах. Увеличение финансировании квантовых информационных технологий свидетельствует о значительном интересе к данной теме по всему земному шару. В разработке данных технологий принимают участие ведущие ученные в области квантовой физики, математики, компьютерных наук, биологии и других. Почти все крупнейшие глобальные IT- корпорации, такие как Google, Microsoft, Intel, IBM и другие, занимаются созданием квантовых вычислительных устройств на различных элементных базах. Основу развития таких технологий составляют приоритетные исследования в различных областях, включая:

1. Возможности квантовых коммуникаций, включая применение квантовой криптографии;

2.  Квантовые вычисления;

3. Технологии, направленные на разработку компонентной основы для квантовых вычислений.

Квантовые коммуникации подразумевают под собой передачу информации на квантовом уровне. Современные квантовые коммуникации подразделяются на два вида.

Первый вид связан с созданием защищённых каналов, что значительно повышает уровень защиты данных от утечек и несанкционированного доступа. Второй вид направлен на разработку безопасных информационных систем при помощи квантовых ключей.

Технологии квантовых коммуникаций, включая квантовую криптографию, базируются на применении квантовомеханических объектов, например, фотоны (например, поляризация, фазовая модуляция, запутанность и другие), в качестве информационных носителей.

Квантовая криптография, также известная как квантовое распределение секретных ключей, является неотъемлемой и наиболее развитой в практическом плане частью технологий квантовых коммуникаций. [7]. Эти технологии позволяют распространять засекреченные ключи через оптоволоконные каналы связи или через атмосферу с гарантией их секретности.

Из области направлений развития квантовой криптографии можно выделить следующее:

1. Внедрение систем квантовой криптографии в существующую инфраструктуру оптоволоконных телекоммуникационных сетей с передачей ключей вместе с обычным телекоммуникационным сигналом;

2. Увеличение скорости генерации ключей до гигагерц и использование систем с разделением по частоте и времени;

3. Совершенствование элементной базы через переход на интегральную платформу.

В нашей стране и за рубежом наблюдается значительный интерес к технологиям, которые используют законы микромира. Они могут быть реализованы при использовании специального оборудования или программного обеспечения, которые в некоторой степени имитируют работу квантовых вычислительных систем на уровне алгоритмов.

Квантовые вычисления - это обширная область, использующая квантовую механику для ускорения решения сложных задач по сравнению с традицион- ными ПК. [6]. Сегодня наблюдается положительная динамика, но квантовые вычисления недостаточно развиты, и их коммерческое применение имеет определённые ограничения.

Возможное области применения квантовых вычислений включают:

Криптография: квантовые вычисления потенциально нарушают многие существующие криптографические алгоритмы, используемые для защиты коммуникаций и транзакций. Однако они могут быть применены для создания новых методов шифрования, устойчивых к квантовым вычислениям, что обеспечит более высокий уровень безопасности. [2]. Многие реальные проблемы связанные с поиском оптимального решения среди множества возможных вариантов. Применение квантовых вычислений позволяет эффективнее решать задачи оптимизации в сравнении с обычными вычисли- тельными машинами, что способствуют получению более быстрых и точных результатов. Квантовые вычисления могут использоваться для моделирования поведения сложных веществ на атомном уровне, что открывает возможности для создания новых материалов с желаемыми характеристиками, такими как сверхпроводимость или эффективное хранение энергии.

Область применения квантовых вычислений:

В машинном обучении вычисления могут значительно улучшить работу алгоритмов, обеспечивая эффективную обработку больших объёмов информа- ции. В химии квантовые вычисления позволяют проводить моделирование химических реакций и поведения атомов на уровне квантовых явлений, что способствует разработке более эффективных медицинских препаратов и материалов. В финансовом моделировании квантовые вычисления могут быть использованы для более точного анализа рисков и финансового моделирования, что позволит быстрее и точнее прогнозировать финансовые результаты. Хотя приведённые лишь некоторые примеры, потенциальные сферы применения квантовых вычислений обширны и разнообразны. Но даже несмотря на то, что это технология только создаётся, перед широким внедрением в практику требуется преодолеть множество сложностей. Квантовые вычисления ускоряют выполнение некоторых задач благодаря трём принципам работы, среди которых суперпозиция, интерференция и запутанность. Основополагающим принципом работы является суперпозиция, позволяющая частицам или квантовым системам существовать сразу в нескольких состояниях. [5] Обычные компьютеры хранят и обрабатывают информацию в битах, которые могут принимать значения 1 или 0, но не оба значения одновременно. В мире квантовых вычислений аналогом бита является кубит. Кубит - это квантовая система, которая может находиться в суперпозиции состояний 0 и 1. Вероятность коллапса кубита в одно из состояний определяется интерференцией. [4]. Воздействие интерференции на кубит влияет на вероятность получения определённого результата при измерении. Именно вероятностный характер квантовых вычислений делает их настолько мощными. Одним из увлекательных феноменов квантовой механики является способность двух или более квантовых систем становиться запутанными друг с другом.

Запутывание представляет собой квантовую взаимосвязь между этими системами. [7]. Когда кубиты находятся в запутанном состоянии, они образуют общую систему, в которой отдельные компоненты нельзя описать независимо.

Технологии, направленные на создание основы для квантовых коммуникаций и вычислений.

Основная идея квантовых технологий заключается в решении проблем, которые человечество не только не решило, но и даже не сформулировало. Считается, что ПК, работающий с кубитами, способен эффективно создавать вещества. Он может обходить современные системы шифрования, но в то же время квантовая криптография обеспечивает безопасность информации на уровне частиц. ПК - это аппараты, основанные на законах квантовой физики, предназначенные для сложных вычислений. Финансисты, климатологи, инженеры и учёные ожидают появления ПК. Квантовая физика призвана важнейшей составляющей технологического суверенитета России. Существует три перспективных направления применения квантовых технологий в бизнесе: квантовые вычисления (включая квантовые компьютеры и их эмуляторы), квантовая защита информации (с использованием квантовых коммуникаций и постквантовой криптографии) и квантовые сенсоры. Квантовые вычисления позволяют эффективно решать сложные алгоритмы за счёт использования квантового компьютера. Они ведут к значительному увеличению производительности при решении оптимизационных задач - до 106 раз по сравнению с классическими суперкомпьютерами. [3]

Оборудование телекоммуникационных сетей, которое обеспечивает защищенность передаваемых данных через квантовое распределение ключей, исключая возможность прослушивания каналов и квантового дешифрования.

Высокочувствительные устройства. Их внедрение позволит улучшить точность геологоразведки, геолокации, а также измерения времени и температуры. Сенсоры нового поколения обладают небольшими размерами и высокой точностью. Благодаря широкому спектру использования таких устройств, перспективы их использования на гражданских и оборонных рынках внутри и за пределами Российской Федерации очевидны. Квантовые технологии активно переходят из категории фундаментальных в сферу практического использования, способствуя развитию экономики. Модель, созданная на основе квантовой технологии, представляет перспективное направление в сфере изучения информатики, учитывая специфику квантовых систем, для продуктивного анализа данных.

Таким образом, дальнейшие изучения данного вопроса позволят расширить границы анализа информации и способствовать появлению инновационных технологических решений.

Список литературы:

1. Прикладная информатика. Квантовая обработка информации: библиометрический взгляд. [Том 14. №3 (81). 2019].

2. Инженерный вестник Дона, №4 (2018).Квантовые вычисления, квантовая теория и искусственный интеллект.

3. Малыхина М.П., Герасимов Д.А. Симуляция квантовых вычислений. Краснодар: КГТУ, 2016. 9 с.

4. Душкин, Р. В. Квантовые вычисления и функциональное программирование / Р. В. Душкин. — Москва : ДМК Пресс, 2015. — 232 с. — ISBN 978-5-97060-275-1. — Текст: электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/97340 (дата обращения: 00.00.0000). — Режим доступа: для авториз. пользователей.

5. Сысоев, С. С. Введение в квантовые вычисления : квантовые алгоритмы : учебное пособие / С. С. Сысоев. - СПб : Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2019. - 144 с. - ISBN 978-5-288-05933-9. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1080947

6. Квантовые вычисления и квантовая информация, Нильсен, М., 2006.

7. https://ru.wikipedia.org.