В научном сообществе образовался консенсус, что первый полностью функциональный квантовый компьютер будет готов примерно через десять лет — и это событие такого масштаба, что многие эксперты считают годы, оставшиеся до «квантума».

Большинство людей, хотя бы чуть-чуть знакомых с главными идеями квантовой механики, полагают, что эта область немного «странноватая», так как порой она озадачивает даже опытных квантовых физиков. В голове возникают картинки людей, которые ходят по стенам, путешествуют во времени и общей неопределенности, которая грозит истребить наши наиболее привычные представления о реальности и истине. Привычные измерения становятся бессмысленными.

Учитывая огромный потенциал квантовых технологий, станет нелишним сказать, что те, кто в будущем овладеет этой технологий, станут иметь большое преимущество перед теми, кто не сможет или не захочет овладеть — и это касается безопасности, финансов, политики и многих других сфер. Компании такие как Microsoft, Amazon или Intel ждут с нетерпением внедрения квантовой криптографии, так как они опасаются, что хакеры постараются добраться до квантовых возможностей и обрушить системы безопасности данных компаний.

И раз уж мы можем сказать, что в скором времени квантовые вычисления точно появятся, нужно понять, что это значит для будущего и какие необычные новые (и порой пугающие) возможности квантовые технологии принесут.
Предлагаем вам изучить самые невероятные последствия внедрения квантовых технологий.

Экспоненциальное увеличение вычислительной скорости

Компьютер, на котором вы читаете этот текст, работает на тех же базовых технологиях, которые используются почти в каждом компьютере во всем мире. Это конечный двоичный мир, в котором информация закодирована в битах — единицах и нулях — которые могут существовать только в двух состояниях (вкл и выкл). Квантовые вычисления, наоборот, используют «кубиты», которые могут существовать одновременнов почти бесчисленных состояниях. (n кубитов может существовать в 2n разных состояниях одновременно).

Если скормить обычному компьютеру последовательность из тридцати 0 и 1, будет около миллиарда вероятных значений этой последовательности, и компьютер, который использует обычные биты, должен проходить по отдельности каждую комбинацию, требуя много памяти и времени. С другой стороны, квантовый компьютер мог бы «видеть» все миллиарды последовательностей одновременно, что сильно сокращало бы временные и вычислительные затраты.

По сути, квантовые компьютеры будут способны за секунды производить расчеты, на которые у простых компьютеров уходили бы тысячи лет.

Поиск новых эффективных препаратов

Благодаря неизбежному росту вычислительной мощности, который предсказан законом Мура, появилось доступное секвенирование ДНК. Но теперь мы уже на пороге эпохи медицины, построенной на квантовых вычислениях.

В то время как на рынке уже и без того очень много хороших лекарств, скорость с которой они производятся, а также их эффективность, очень ограничены. Даже с новейшим приростом  точности и скорости, они очень незначительны из-за ограничений стандартных компьютеров.

С организмом, настолько сложным, как человеческое тело, есть бесчисленное множество способов, которыми лекарство способно реагировать на окружающую среду. Добавьте к этому безграничность генетического разнообразия на молекулярном уровне, и потенциальные исходы для неспецифических лекарственных препаратов быстро начинают достигать миллиардных чисел.

И только у квантовых компьютеров будет возможность изучить каждый возможный сценарий взаимодействия с препаратом и представить не только наилучший возможный план действий, но в том числе и шансы человека на успешный прием конкретного препарата — за счет комбинации более точного и ускоренного секвенирования ДНК и более точного понимания фолдинга белка.

Эти же самые нововведения, особенно в отношении фолдинга белков, также неизбежно приведут к лучшему пониманию того, как функционирует жизнь в целом, что впоследствии должно привести к улучшению результатов и препаратов и к намного более точной трактовке.

Безграничная безопасность

Кроме квантовых скачков в медицине, квантовые технологии в том числе дают возможность создать почти невзламываемые методы кибербезопасности и сверхбезопасный обмен данными на длинных расстояниях.

В мире квантовых странностей есть явление, которое называется «квантовая запутанность», в которой две или более частиц загадочным образом соединяются, независимо от среды, которая между ними существует, и без какой-либо опознаваемой сигнализации. Это то, что Эйнштейн называл «жутким действием на расстоянии». И так как нет конкретной среды, в которой эти две частицы связываются, сигналы, закодированные с использованием запутанных частиц, невозможно будет перехватить. Наука, которая для этой технологии необходима, пока недостаточно развита. Но продвижение в данном направлении окажет большое влияние на национальную и частную безопасность.

Сильно увеличившаяся вычислительная скорость станет также способствовать развитию кибербезопасности, так как экспоненциально большая вычислительная мощность квантовых компьютеров даст им возможность противостоять даже наиболее изощренным методам взлома, и это при помощи квантового шифрования.

«Квантовые вычисления будут безусловно применяться повсюду, где мы пользуемся машинным обучением, облачными вычислениями, анализом данных», рассказывает Кевин Карран, исследователь кибербезопасности в Университете Ольстера. «В области безопасности это значит обнаружение проникновения, поиск паттернов в данных и более сложные формы параллельного вычисления».

Квантовые компьютеры будут уметь предугадывать «шаги» хакеров в миллионах или миллиардах возможных итерациях.

Безграничный взлом

Конечно, с большой силой появляется и большая ответственность, и так же квантовая мощь, которая даст возможность осуществлять квантовое шифрование, также позволит хакерами без проблем взламывать наиболее сложные методы безопасности, которые обеспечиваются довольно примитивными машинами.

В настоящий момент наиболее сложные криптографические методы  основаны обычно на очень сложных математических задачах. И хотя этих препятствий достаточно для того, чтобы сдержать большинство бинарных суперкомпьютеров, квантовый компьютер сумеет их легко обойти. Умение квантового компьютера находить закономерности в гигантских наборах данных с огромной скоростью позволит ему рассчитывать огромные числа, в то время как привычные компьютеры станут перебирать их за разпо одному. С кубитами и квантовой суперпозицией все вероятные варианты будут проверяться одновременно.

Потребовалось около двух лет для того, чтобы сотни компьютеров, которые одновременно работают, сумели разблокировать один пример алгоритма RSA-768 (который имел два основных фактора и требовал ключ длиной семьсот шестьдесят восемь битов. Квантовый компьютер с этой задачей справится за одну секунду.

Точные атомные часы и обнаружение объектов

Атомные часы используются не только для ежедневного отсчета времени. Они важный компонент большинства современных технологий, включая коммуникационные технологии и GPS-системы.

Обычно атомные часы тонкой настройки не требуют. Наиболее точные атомные часы работают, пользуясь колебаниями микроволн, которые испускают электроны при изменении уровней энергии. А атомы, которые используются в часах, охлаждаются почти для абсолютного нуля, что обеспечивает длительное время микроволнового зондирования и большую точность.

Новейшие атомные часы станут использовать современные квантовые технологии и в скором времени будут настолько точными, что их станут использовать в качестве сверхточных детекторов объектов — они смогут чувствовать мельчайшие изменения в гравитации, электрических полях, магнитных полях,  движении,температуре, силе и других явлениях, которые в природе колеблются в присутствии вещества. Эти изменения станут отражаться в изменениях времени. (Не надо забывать, что пространство, время, вещество между собой связаны).

Это точно настроенное обнаружение поможет идентифицировать и удалять подземные объекты, отслеживать подводные лодки намного ниже поверхности океана и даже сделать навигацию и автоматическое вождение намного более точными, так как программное обеспечение сумеет лучше различать автомобили и прочие объекты.

Финансовые рынки

В переплетенном мире финансов, скорость имеет первостепенное значение. И очень большое количество проблем, с которыми финансовая отрасльсталкивается (многие из которых связаны с нехваткой вычислительной скорости), остаются неразрешенными. Даже наиболее мощные обычные компьютеры, использующие 0 и 1, не могут хотя бы приблизительно спрогнозировать будущие финансовые и экономические события, не говоря уж о том, чтобы решить сложнейшие проблемы, которые связаны с ценообразованием опционов на очень быстро меняющемся рынке.

К примеру, многие опционы требуют сложных производных, зависящих от различных факторов, что означает, что выплата опциона в конечном счете определяется путем изменения цены базового актива. Попытка отобразить и предусмотреть все возможных «пути» опциона слишком сложна для современных машин. Однако, учитывая свою скорость и маневренность, квантовые компьютеры теоретически могли бы идентифицировать неверный ценовой вариант опциона на акции и использовать его для выгоды своего владельца до того, как рынок предпримет какие-либо значимые действия.

Такого рода мощь могла бы, конечно, нанести ущерб рынку и сильно поднять положение небольших фирм, владеющих и управляющих суперкомпьютером — за счет отдельных трейдеров и фирм, неспособных приобрести такие технологии.

Картирование человеческого разума

При всех удивительных достижениях, которые имели место в области нейронауки и сознания за последние несколько десятилетий, ученые до сих пор знают удивительно мало о том, как работает сознание. Но мы, впрочем, знаем, что мозг человека — одна из самых сложных вещей в известной вселенной, и чтобы понять его полностью, необходима вычислительная сила нового типа.

Человеческий мозг состоит из 86 миллиардов нейронов — клеток, которые передают небольшие биты информации за счет активации быстрых электрических зарядов. И хотя электрическая часть работы мозга понятна довольно хорошо, само сознание остается загадкой. «Задача в том», говорит нейробиолог Рафаэль Юсте из Колумбийского университета, «чтобы определить, как физическая подложка клеток, связанных внутри этого органа, относится к нашему умственному миру, нашим мыслям, памяти, ощущениям».

И в попытке понять сознание нейрофизиологи в значительной степени полагались на аналогию с компьютером, поскольку мозг превращает сенсорные данные и вводы в относительно предсказуемые результаты. И что может быть лучше для понимания работы компьютера, чем сам компьютер?

Доктор Кен Хэйворт, невролог, который картирует мышиный мозг, считает, что составление визуализации полного мозга мухи займет примерно один-два года. Но та же идея сопоставления всего человеческого мозга будет просто невыполнима без квантовых вычислений.

Поиск далеких планет

Никого не удивит, что квантовое вычисление будет широко использоваться в освоении космоса, что часто требует анализа огромных наборов данных. Используя квантовые процессоры, охлажденные до 20 милликельвинов (близко к абсолютному нулю), инженеры NASA планируют использовать квантовые компьютеры для разрешения сложнейших задач оптимизации, связанных с миллиардами данных.

Например, ученые NASA смогут использовать крошечные колебания в квантовых волнах, чтобы обнаружить мелкие, едва уловимые перепады тепла в невидимых для нас звездах и, возможно, даже черных дыр.

NASA уже использует общие принципы квантовых вычислений для разработки безопасных и эффективных методов космических путешествий — особенно когда дело доходит до отправки роботов в космос. NASA планирует посылать роботизированные миссии в космос примерно за десять лет, и среди его задач стоит использование квантовой оптимизации для создания сверхточных инструментов прогнозирования того, что может случиться за время миссии — чтобы предупредить любой возможный исход и создать план действий на каждый случай.

Более тщательное и точное планирование роботизированных миссий также приведет к более эффективному использованию батарей, которые выступают одним из основных ограничивающих факторов, когда дело доходит до роботизированных космических миссий.

Генетика

Завершение проекта генома человека в 2003 году привело к появлению новой эпохи в медицине. Благодаря глубокому пониманию генома человека, мы можем адаптировать сложные процедуры специально под конкретные потребности человека.

Несмотря на то, сколько мы уже знаем о тонкостях человеческой ДНК, мы до сих пор поразительно мало знаем о белках, которые кодирует ДНК.

Добавим квантовые расчеты, которые в теории позволят нам составлять «карту белков» так же, как мы собираем карту генов. По сути, квантовые расчеты также позволят нам моделировать сложные молекулярные взаимодействия на атомном уровне, что станет бесценным, если говорить о разработке новых методов медицинских исследований и фармацевтики. Мы могли бы смоделировать 20 000 белков и их взаимодействие с мириадами новых разных препаратов (даже тех, что еще не изобретены) с безукоризненной точностью. Анализ этих взаимодействий, опять же при помощи квантовых вычислений и продвинутых алгоритмов оптимизации, приведет нас к созданию новых методов лечения пока неизлечимых заболеваний.

Скорость квантового вычислений также позволит нам анализировать «квантовые точки» — крошечные полупроводниковые нанокристаллы размером в несколько нанометров, которые сейчас используются на передовой для лечения и обнаружения рака. Также квантовые компьютеры могли бы обнаруживать мутации в ДНК, которые пока кажутся совершенно случайными, и их связь с квантовыми флуктуациями.

Материаловедение и инженерия

Стоит ли говорить, что квантовые вычисления уже привели к массивным последствиям для материаловедения и инженерии, учитывая то, что квантовые расчеты лучше всего подходят для открытий на атомном уровне.

Сила квантовых вычислений позволит использовать все более сложные модели, которые будут отображать, как молекулы собираются и кристаллизуются с образованием новых материалов. Такие открытия, ведущие к созданию новых материалов, впоследствии приведут к созданию новых структур, имеющих последствия в сферах энергетики, борьбы с загрязнением и фармацевтических препаратов.

«Когда инженер строит дамбу или аэроплан, эта структура сперва проектируется при помощи компьютеров. Это  чрезвычайно сложно проделать на молекулярном или атомарном масштабе», объясняет ГрэмДэй, профессор химического моделирования в Университете Саутгемптона. «Очень сложно проектировать на атомных масштабах с нуля и уровень неудачи в процессе обнаружения новых материалов очень высок. По мере того, как физики и химики пытаются открыть новые материалы, они часто чувствуют себя в роли путешественников без надежной карты».

Квантовые вычисления смогут обеспечить весьма «надежную карту», позволив ученым имитировать и анализировать атомные взаимодействия с невероятной точностью, что в свою очередь приведет к созданию совершенно новых и более эффективных материалов — без проб и ошибок, неизбежно возникающих при попытке построить новые материалы в более широком масштабе. Это означает, что мы сможем найти и создать лучшие сверхпроводники, более мощные магниты, лучшие источники энергии и многое другое.