Физика, которая изучает явления, происходящие в области элементарных частиц, называется квантовой. Многие уравнения классической механики, сформулированные еще Исааком Ньютоном, перестают работать на квантовом уровне. Они хорошо описывают взаимодействия объектов привычных нам размеров и скоростей, но не могут объяснить, как то же самое происходит на уровне элементарных частиц.
Годом рождения квантовой физики можно считать 1900-й, когда немецкий ученый Макс Планк, изучая законы теплового излучения нагретых тел, ввел понятие «квант», назвав таким образом минимально возможную порцию излучаемой энергии. Альберт Эйнштейн, исследуя явление фотоэффекта, первым из ученых предположил: сам свет состоит из квантов или фотонов, что противоречило всем представлениям физики XIX в. Так родилась квантовая механика.
Последовавший за созданием квантовой механики период взрывного технологического роста принято называть первой квантовой революцией. Ее основой стало использование коллективных квантовых явлений. В 1930–1940-х гг. начались активные исследования полупроводниковых материалов, свойства которых стало возможно описать с помощью квантовой механики. На основе этих изысканий созданы первые полупроводниковые транзисторы – главные компоненты электроники. В 1954 г. советские ученые Николай Басов и Александр Прохоров разработали первый квантовый генератор света, или лазер – устройство, управляющее потоком фотонов. С конца XX в. мир находится на пороге второй квантовой революции. Ее ключевое технологическое отличие заключается в управлении индивидуальными квантовыми объектами, например атомами или фотонами.
Сегодня внимание к развитию квантовых технологий во многом связано с идеей квантовых вычислений, или, проще говоря, квантовых компьютеров, которые призваны решить задачи, ранее недоступные человечеству. Идею о возможности использования квантовых эффектов для вычислений впервые высказал американский физик и нобелевский лауреат Ричард Фейнман. Спустя 20 лет, в 1980 г., советский математик Юрий Манин описал идею квантовых вычислений. В книге «Вычислимое и невычислимое», рассуждая о сложности процесса считывания и записи биологической информации с молекул ДНК, он заметил, что для моделирования этого процесса могли бы подойти квантовые устройства.
Сейчас индустрия квантовых вычислений находится на этапе «шумных квантовых процессоров среднего масштаба», то есть систем из сотен кубитов, работающих неустойчиво из-за внешних помех. В ближайшем будущем прогнозируется появление защищенных от ошибок квантовых компьютеров, которые будут существенно эффективнее классических в решении задач с большим количеством переменных, таких как моделирование и оптимизация.
При этом рынок уже учится применять квантовые вычисления. В логистике их используют для маршрутизации транспорта и составления расписаний. В финансах – для оценки рисков, оптимизации инвестиционных портфелей и кредитного скоринга. Компании промышленного сектора проводят эксперименты по использованию квантовых компьютеров для моделирования новых лекарств и сборки геномов, оптимизации энергосетей, разработки новых материалов, аэро- и гидродинамических расчетов.
Появление мощных квантовых компьютеров бесповоротно изменит будущее человечества. За технологическим переворотом придут масштабные изменения в жизни общества и культуре. Какими будут эти изменения, мы пока не представляем, но жизнь точно не останется прежней.