За последние несколько десятилетий квантовые технологии, включающие в себя области моей экспертизы, такие как квантовая оптика и квантовая теория информации, значительно развились, произошло обширное накопление новых результатов и разрабатываемых теорий. Тем не менее в данной сфере все еще существует множество нерешенных проблем, требующих дальнейших исследований. Несмотря на то что эти проблемы разнообразны, я хотел бы выделить четыре ключевых тренда, которые, на мой взгляд, будут играть важную роль в будущем.
Первым и краеугольным трендом грядущего десятилетия является исследование и использование свойств сцепленности, иначе известной как запутанность. Этот феномен относится к сущности квантовой физики, позволяющей объектам находиться в неразделимом состоянии и взаимодействовать между собой независимо от расстояния. Данная характеристика обладает исключительным потенциалом для революционных приложений в квантовых технологиях. Более того, поскольку данный эффект невозможно воспроизвести в рамках классических физических теорий, применение этого феномена в технологиях в полной мере позволит сделать их квантовыми.
Глубокое понимание и управление сопутствующими квантовыми эффектами позволит эффективно решать сложные задачи, такие как, например, сверхплотная и защищенная передача информации, квантовая телепортация, а также построение и улучшение алгоритмов квантовых вычислений.
Бок о бок с исследованием сцепленности идет и второй тренд, а именно исследование различных форм пропускных способностей каналов, способных передавать квантовую информацию. В настоящее время большое внимание уделяется каналам, через которые передается классическая информация при использовании квантовых систем. Применение результатов этих исследований уже привело к достижениям в области систем квантового распределения ключей. Однако значительный потенциал для новаторских идей и решений по-прежнему остается в области передачи и обработки квантовой информации, что открывает новые возможности для творчества и интеллектуальных поисков.
Ученым предстоит еще много исследовать в области квантовых коммуникаций
В связи с прогрессом в области квантового распределения ключей, в особенности с достижением технологической зрелости в отрасли, необходимо переходить на следующий уровень – сетевой. Логично предположить, что следующий шаг в развитии заключается в создании и исследовании сетевых протоколов, которые позволят улучшить и расширить возможности квантовых сетей. Таким образом, третий тренд связан непосредственно с разработкой и исследованием сетевых протоколов, новых технологических решений, включая применение квантовых повторителей, топологией сетей и разработкой и исследованием сопутствующей инфраструктуры. Иными словами, этот тренд должен подготовить почву для развития таких технологий, как, например, квантовый интернет вещей и глобальные сети квантового распределения ключей.
Наконец, четвертый тренд связан с прогрессом в области квантовых сенсоров и метрологии, поскольку именно квантовые эффекты позволяют преодолеть классические пределы точности различных измерений. Исследование и применение квантовых эффектов для создания высокоточных и сверхчувствительных сенсорных устройств позволят в будущем изучать мир в микро- и макромасштабах на принципиально другом уровне, обеспечивая новые возможности для медицинской диагностики, геологического исследования, экологического мониторинга и других областей науки и промышленности.
В целом эти тренды будут способствовать дальнейшему росту и развитию квантовых технологий в следующем десятилетии. С одной стороны, они откроют новые горизонты для фундаментальной науки и дальнейшего технологического роста, а с другой стороны, в перспективе станут частью повседневной жизни.
Антон Козубов, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией квантовых процессов и измерений, заместитель директора Научно-образовательного центра фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО, начальник отдела перспективных исследований и разработок, ООО «СМАРТС-КВАНТТЕЛЕКОМ», научный сотрудник отдела математических методов квантовых технологий, Математический институт им. В.А. Стеклова РАН.
Фото: Shutterstock/FOTODOM, личный архив Антона Козубова
ГЕНЕРАЛЬНЫЙ ПАРТНЕР – ОАО «РЖД»
