Ликвидация преступности, уничтожение вирусов и телепортация: как квантовый компьютер изменит мир

Первый квантовый компьютер от Google и решение задач за 200 секунд

Квантовый компьютер является вычислительным устройством, которое оперирует уже не битами, а кубитами, имеющими значения одновременно и 0, и 1. Это позволяет обрабатывать все возможные состояния одновременно.

Первый квантовый компьютер принадлежит компании Google. Устройство на 54 кубита за 200 секунд выполнило расчеты, на который самому мощному в мире суперкомпьютеру Summit (IBM) понадобилось бы примерно 10 тыс. лет.

Но на сегодняшний день установлено, что квантовый компьютер будет создан только тогда, когда он будет содержать не менее 1 тыс. кубитов.

В авангарде таких разработок сейчас находятся США, Япония, Китай, Западная Европа и Россия. У нас в стране разработками в области квантовых компьютеров, полевых транзисторов и сверхчувствительных датчиков занимаются МФТИ, ИФТТ, МИСиС, КФУ, КНИТУ-КАИ и Казанский физико-технический институт им. Завойского.

Сначала квантовый компьютер будет размером с комнату

Изначально квантовый компьютер будет больших размеров. Он может состоять из металлического гелиевого криостата со сверхпроводящими магнитами. Его предстоит охлаждать на первых этапах, чтобы избавиться от тепловых шумов, которые подавляют полезную информацию. Для решения этой проблемы используют криогенику или низкие температуры.

«Главная и заветная мечта физиков – чтобы квантовый компьютер работал при комнатной температуре и был небольших размеров»

доктор наук Мурат Тагиров

Повсеместная цифровизация

В будущем все население Земли ждет всеобщая цифровизация, то есть всё, что есть вокруг нас, и в том числе сам человек, будет представлено с помощью цифр. Например, параметры обычного человека можно описать с помощью определенного набора цифр – роста, веса, температуры тела.

«Хиджабы запретили носить во Франции именно потому, что распознать по глазам человека пока не хватает мощностей», – отметил профессор.

Биометрически лицо идентифицируют с помощью расстояния между зрачками, растительности (бороды и усов) и т.д. Все больше нужно будет использовать роботов, которые обладают искусственным интеллектом, и на данном этапе они могут хорошо и быстро сравнивать персональные данные с большим объемом цифровых данных.

Оцифрованные истории болезни и борьба с вирусами

Сейчас у многих людей скопились пачки историй болезни, которые написаны не всегда каллиграфическим почерком врачей, содержат в себе термины, в том числе и на латыни. В дальнейшем все эти материалы должны быть переведены в электронные базы данных. То есть у каждого человека в смартфоне должна быть заложена вся информация о его здоровье, прививках и операциях. Цифровизация медицины качественно ускорит все процессы здравоохранения. Врачам не придется изучать пациента заново, а лишь заглядывать в электронный архив с его данными, чтобы узнать всю информацию о хронических заболеваниях, аллергии и многом другом.

К такой системе в дальнейшем могут подключить искусственный интеллект, который будет подсказывать медработникам, какое лечение стоит назначить данному больному на данный момент времени.

Квантовый компьютер сможет моделировать математическую модель вируса, чтобы разработать способы борьбы с ним. Например, тот же коронавирус можно будет побороть с помощью вычислений, а именно его траекторию, способы его развития, мутации и перемещения. Справиться с такой «чумой XXI века» смогут лишь математики и вирусологи.

«Врать будет бесполезно»

Вся информация о человеке будет постепенно структурироваться. Будет происходить работа с большими базами данных. Новый вид компьютеров позволит определять местоположение человека с помощью видеокамер, системы распознавания лиц и GPS-навигации. Таким образом, он не сможет даже обмануть, например, работодателя и пойти вместо рабочего задания куда-нибудь развлекаться. «Врать будет бесполезно», – добавил Тагиров.

Но человечеству нужно готовиться и к тому, что после появления квантовых компьютеров появится и мошенничество, в том числе и со стороны искусственного интеллекта (ИИ). Если только в него изначально не будет заложена программа, при которой ИИ будет понимать, что совершает противоправные действия. К тому же вероятность бунта искусственного интеллекта возможна в случае, когда его носители войдут в прямой контакт между собой без участия человека. Потому что человек, который контролирует процесс общения между машинами, представляет не самую мощную, но систему безопасности.

К тому же в будущем теоретически человека можно разобрать с помощью искусственного интеллекта на числа и передать этот огромный массив данных на расстоянии.

Разработки квантовых компьютеров в Татарстане

На сегодняшний день в республике разработками в области квантовых компьютеров и коммуникаций занимаются в КФУ, КНИТУ-КАИ и Казанском физико-техническом институте им. Завойского. В квантовой коммуникации или криптографии преуспели исследователи из КАИ. Всего ученых этих направлений в республике не больше ста человек.

Дипломы татарстанских студентов котируются во всем мире. Например, недавно одна выпускница защитилась в КАИ, вторая в Париже, третья в Германии.

В лаборатории, которую в данный момент возглавляет Мурат Тагиров, десять человек имели опыт работы на Западе, в престижных лабораториях, но после этого вернулись обратно на родину, в РТ, чтобы работать на благо страны. На данный момент КФУ тесно сотрудничает с институтами Франции, Германии и Японии. Есть совместные гранты, которые выигрывают институты разных стран. Например, КФУ удалось получить солидные субсидии на три года для проведения совместных исследований с ведущим университетом Франции – Эколь Нормаль Суперъер, всего таких грантов по нашей стране только семь!

Оборудование за 1 миллион долларов

Отличие наших студентов от иностранных в том, что они могут самостоятельно изобретать оборудование и создавать сложное оборудование. Им удается создать аппаратуру, которая заточена под определенные измерения. Например, на базе КФУ был создан спектрометр ядерно-магнитного резонанса из криостата, который собирались выбросить. Под свои нужды сотрудники лаборатории пишут и программы для расчетов и работы с оборудованием.

«За такую аппаратуру, если бы пришлось ее купить, КФУ пришлось бы отдать не меньше миллиона долларов», – сказал ученый.

В этом году в лабораторию пришел студент второго курса, который окончил обычную деревенскую школу, но, несмотря на это, читает все мировые научные статьи в оригинале на английском языке. Он изъявил желание работать совместно с профессором Муратом Тагировым.

Сколько может стоить квантовый компьютер?

Минимальная цена на разработки квантового компьютера в России составит около 10 млрд рублей в год. Но такие разработки могут продлиться 10 – 15 лет.

Потому что на разработки тратится основная часть средств, далее будет создан прототип, а после этого происходит конструирование малой серии компьютеров.

Лазеры и выращивание нанокристаллов стоимостью 10 тыс. евро

Сейчас в лаборатории кафедры занимаются выращиванием нанокристаллов, которые в дальнейшем будут использовать для изготовления лазеров. Цена одного такого кристалла составляет не менее 10 тыс. евро.

«Растят» их с помощью исходных материалов, которые заставляют вступать в химические реакции. В среднем такой процесс занимает около одних-двух суток.

Использовать лазеры с такими нанокристаллами можно будет и в медицине. Причем уже разработали прототипы подобных устройств. Например, людям, страдающим сахарным диабетом, необходимо постоянно отслеживать содержание сахара в крови. Ученые разработали для них специальное оборудование, которое позволяет узнать состояние крови с помощью устройства с миниатюрным лазером. Пациентам уже не нужно будет делать постоянные проколы на пальцах для забора крови. Однако это только опытные образцы лазерных глюкометров, которые стоят от 5 до 10 тыс. долларов.

Следующая область исследования – это раковые опухоли и способы их лечения. Еще в прошлом веке один японский ученый открыл, что если раковые клетки находятся при 41 градусе по Цельсию, то через неделю они вновь трансформируются в обычные здоровые клетки. Но проблема в том, что если человека неделю держать в такой высокой температуре, он просто «сгорит» и начнется разрушение белка.

Поэтому исследователи бьются над тем, чтобы локально воздействовать на раковую опухоль, однако для начала нужно узнать температуру определенного участка человека. Сейчас физики КФУ ищут способы надежной локальной термометрии человека.

«Если удастся разработать такое оборудование, то лекарства от рака больше не понадобятся, потому что можно будет разогревать только определенную часть тела», – сказал Тагиров.

Электроэнергия на 1 тысячу лет за счет «топлива» с Луны

На Луне содержится большое количество изотопа гелия (гелий-3). Гелий долетает до спутника Земли в виде солнечного ветра. Его можно использовать для экологически чистого термоядерного синтеза (реакция протекает без образования нейтронов) и обеспечения всего человечества электричеством сроком в тысячу лет.

Однако проблема заключается в поиске лунных месторождений гелия в реголите. Сделать это можно только с помощью ядерно-магнитного резонанса и роботов, которые будут проводить заборы ископаемых в разных частях спутника Земли.

«Сейчас Китай, США, Индия и Россия летают на Луну в первую очередь для того, чтобы везти оттуда гелий-3», – отметил исследователь.

Общественная безопасность и «умный дом»

Создание квантового компьютера позволит эффективнее распознавать лица в камерах видеонаблюдения. Но для этого нужно также увеличивать разрешение таких камер и развивать искусственный интеллект, ведь ему приходится сравнивать одну информацию с огромным массивом данных.

Также ближайшие разработки в области квантового компьютера позволят запустить на полную мощность технологии «умного дома». Человек перестанет переплачивать за тепло, электроэнергию и сможет защитить дом от преступников, потому что он будет оборудован кодированным входом.

Костные импланты, квантовая память и гранты нацпроектов

Сейчас в лаборатории имени С. А. Альтшулера КФУ идут эксперименты с гидроксиапатитом, который содержится в костях. В него добавляют ионы марганца, железа, алюминия и другие для того, чтобы узнать, как сконструировать костные импланты для людей.

Есть также разработки, которые касаются квантовой памяти, где используются кристаллы и редкоземельные ионы, которые в дальнейшем позволят разработать квантовый компьютер.

В этом году сотрудники кафедры квантовой электроники и радиоспектроскопии планируют подать заявку на грант по нацпроектам. При этом уже имеющаяся в бюджете кафедры и лаборатории общая величина грантов на научные разработки кафедры составляет примерно 20 млн рублей в год.

Подготовка специалистов со школьной скамьи

Научно-исследовательская лаборатория магнитной радиоспектроскопии и квантовой электроники, одна из крупнейших лабораторий в КФУ, была создана в 1957 году под началом выдающегося нашего соотечественника, физика-теоретика, члена-корреспондента АН СССР профессора Семена Александровича Альтшулера.

Всего в лаборатории работает порядка 70 сотрудников, и штатных из них всего 8 человек. Остальные специалисты объединены в научные группы, которые подают заявки на гранты продолжительностью на три года и более. После того как они выигрывают грант, они образуют команду и начинают исследовательскую работу.

В таких группах работают участники как из России и Татарстана, так и из-за рубежа.

Есть система пополнения лаборатории талантливыми людьми. Например, для школьников лицея Лобачевского проводят специальные встречи и дискуссии с участием иностранных ученых из США, Японии и Европы и, конечно же, исследователей КФУ.