# data[].attributes.headline
Історія розвитку квантових технологій

# data[].attributes.subject
Історія розвитку квантових технологій

# data[].attributes.body
Квантова технологія — перспективна сфера фізики та техніки, яка спирається на принципи квантової фізики. Квантові обчислення, телепортації, квантові датчики, квантова криптографія, квантове моделювання, квантова метрологія та квантова фотографія.
1801 р. експерименнт Томаса Янга з двома щилинами.
У цьому експерименті лазерний промінь направляють на подвійну щілину, а потім дивляться на малюнок, що виходить в результаті. Якби світло складалося з частинок, можна було б очікувати два світлові блоки у формі щілин. Натомість у результаті виходить безліч маленьких блоків світла, розташованих у характерному порядку. Розміщення подвійної щілини в потоці води призвело б до того ж малюнку трохи нижче. Отже, цей експеримент привів до висновку, що світло є хвилею.

1881 р. відкриття Генріха Герца.
Коли він узяв два електроди і подав між ними досить високу напругу, з’явилися іскри. Це нормально. Але коли Герц посвітив на ці електроди, іскрове напруження змінилося. Пояснювалося це тим, що світло вибивало електрони з матеріалу електрода. Але, як не дивно, максимальна швидкість вибитих електронів не змінювалася, якщо змінювалася інтенсивність світла, а змінювалася із частотою світла. Цей результат був би неможливий, якби хвильова теорія була вірною.
У 1905 році Альберт Ейнштейн мав рішення:
світло насправді було частинкою. Все це було незадовільно. Вчені вважають за краще одну теорію, яка завжди вірна, двом теоріям, які іноді вірні. А якщо теорія вірна лише іноді, то ми хотіли б принаймні мати можливість сказати, за яких умов вона вірна. Але саме в цьому й полягала проблема цього відкриття. Фізики не знали, коли розглядати світло чи будь-який інший об’єкт як хвилю, а коли як частинку. Вони знали, що деякі речі викликають хвилеподібну поведінку, наприклад, краї щілин. Але у них не було чіткого пояснення, чому це так чи коли якусь теорію використовувати.Вчені Корейського інституту фундаментальних наук показали, що властивості джерела світла впливають на те, наскільки воно є частинкою, а наскільки хвилею. Завдяки новому підходу до вивчення цієї проблеми вони проклали шлях, який може навіть призвести до покращень у квантових обчисленнях.

Квантові телепортації

1993 рік

Протягом багатьох років вчені не сприймали ідею телепортації цілком серйозно. Вважалося що вона порушує принцип невизначеності, що забороняє будь-якому вимірювальному або процесу, що сканує добути інформацію з атома або будь-якого іншого об’єкту.

Чим довше сканується об’єкт, тим більше на нього впливає процес сканування. Він продовжується до того часу, поки вихідний стан об’єкту не порушиться настільки, що неможливо буде отримати достатню кількість інформації для створення точної копії. Не можливо виявити всі характеристики для створення нової ідеальної копії.

1993
В журналі Physical Review Letters шестеро фізиків-теоретиків Чарльз Беннетт, Жиль Брассар, Клод Крепо  та Річард Джозза, Ашер Перес та Уільям Уотерс опублікували статтю, де розповіли про використання парадоксу Енштейна-Подольського-Розена, щоб обійти принцип невизначеності.

Вчені описали, що маючи в кожній з лабораторій пару заплутаних частин та можливість обмінюватися двома бітами інформації, можна передати інформацію від першої частинки до другої, яка знаходиться в іншій, віддаленій лабораторії. Квантова інформація з першої частинки зникне та відновиться на іншій завдяки заплутаності.

Тоді ще невідоме квантове явище описали як «телепортинг» та пояснили чим воно відрізняється від популярного явища «телепортації» в художніх творах. Квантова телепортація не передає енергію або тіло на відстані.

1995-1997 роки

Команда Бенетта створила квантову теорію заплутаності та запропонувала декілька методів для точної передачі класичної та квантової інформації через канали шуму.

1997 рік

Під керівництвом Антона Цайлингера з Університету Інсбрука і Франческо де Мартіні (Francesco de Martini) з Університету Риму пройшла перша експериментальна квантова телепортація поляризаційного стану фотона.

2004 рік

В червневому журналі Nature було опубліковано статтю, в якій дві групи вчених розповіли про телепортацію квантового стану атома. Команда американських вчених телепортувала кубіт на основі іону атома берилію, тоді коли австрійська – квантовий стан іона атому кальцію. Ці експерименти дали поштовх у створенні квантових комп’ютерів та реалізації квантової криптографії.

В цьому ж році фізики Віденського університету телепортували фотони на відстань 600 метрів через річку Дунай.

2006 рік

Вчені вперше передали інформацію між світлом і речовиною: квантами лазерного випромінювання та атомами цезію. Дослідники з Інституту квантової оптики імені Макса Планка в Гархінзі та Інституту Нільса Бора в Копенгагені перенесли квантовий стан світлового імпульсу в мікроскопічний об’єкт – ансамбль, що складається з 10-12 атомів.

2009 рік

Фізики вперше телепортували квантовий стан кубіта на один метр. До цього телепортація вдавалася на більш короткі відстані.

2010 рік

В експерименті фізиків з Науково-технічного університету Китаю та Університету Цинхуя квантовий стан фотонів передалось на 16 км. Середня точність передачі досягнула 89%, що значно перевищило межу попередніх досліджень на 75%. Дослідження тільки підтвердило можливість квантової телепортації в космосі й стало своєрідним кроком вперед у використанні квантової комунікації в глобальному прояві

2012 рік

Група китайських вчених повідомила, що вони провели квантову телепортацію через озеро Цинхай – на відстань 97 км. Попередній рекорд становив 16 км, який був поставлений тими ж китайськими вченими.

Через вісім днів після зізнання китайських вчених європейська та канадська групи розповіли, що передали інформацію з одного Канарського острова до іншого. Таким чином вони збільшили рекордну відстань до 143 км.

2014 рік

Фізики Делфтського технічного університету, що в Нідерландах, продемонстрували квантову телепортацію між двома кубітами, які були віддалені один від одного на три метри. Вчені досягли точної телепортації квантової інформації на короткій відстані. Це стало важливим кроком до створення квантового інтернету.

2015 рік

Група вчених з Національного інституту стандартів і технологій США телепортувала фотони по оптоволоконному кабелю на довжину 102 км. Нову технологію можна використовувати для створення пристроїв – квантових ретрансляторів. Вони періодично можуть передавати інформацію, щоб розширити охоплення мережі та, можливо, цього буде цілком достатньо, щоб побудувати квантовий інтернет.

2017 рік

В Китаї було здійснено першу квантову телепортацію з Землі на орбіту. Фізики з Шанхая заявили, що переправили інформацію з квантового супутника під назвою «Мо-цзи» на станцію стеження на Землі. Таким чином вчені-дослідники телепортували одиничні фотони з наземної обсерваторії на супутник на навколоземній орбіті, яка знаходиться на відстані 1400 км. Успішна реалізація проекту відкрила дорогу до далекої телепортації та стала першим кроком на шляху до створення квантового інтернету.
Квантові обчислення
1970
Стівен Візнер винаходить спряжене кодування.

1973
Олександр Холево публікує роботу, де показує, що n кубітів можуть зберігати не більше, ніж n бітів класичної інформації (границя Холево).Чарльз Беннетт показує, що універсальні обчислення можна зробити логічно оборотними.
1981
Річард Фейнман у своїй промові на Першій конференції з фізики обчислень, що відбулася в травні в МТІ, зазначає, що неможливо ефективно моделювати еволюцію квантової системи на класичному комп'ютері. Він пропонує просту модель квантового комп'ютера, який буде спроможний виконувати таке моделювання.

1982
Пол Беньов пропонує перший теоретичний опис структури квантового комп'ютера.
Вільям Вуттерс і Войцех Зурек, а також незалежно від них Денніс Дікс доводять теорему про неможливість копіювання.

1984
Чарльз Беннетт і Жиль Брассар використовують ідею спряженого кодування Візнера для побудови квантового розподілу криптографічного ключа.
1994
Пітер Шор винаходить важливий квантовий алгоритм, що швидко факторизує великі числа. Цей алгоритм одночасно розв'язав як задачу факторизації, так і задачу обчислення дискретного логарифма. Безпрецедентна важливість алгоритму Шора полягає в теоретичній можливості зламу багатьох сучасних криптографічних систем, зокрема RSA. Винаходження алгоритму Шора спричинило сплеск інтересу до квантових комп'ютерів у цілому.

2003
Тодд Піттман із співробітниками  та незалежно від них Джеремі О'Браєн із співробітниками демонструють логічні елементи CNOT, побудовані на лінійних оптичних елементах. BBN Technologies разом із дослідниками з Бостонського та Гарвардського університетів вводять в експлуатацію DARPA Quantum Network, першу повнофункціональну квантову мережу.

2004
В Оксфордському і Йоркському університетах демонструється ЯМР-комп'ютер на чистих станах (використано спінові стани параводню).

# data[].attributes.headline
 Квантова механ

# data[].attributes.body
Квантова механіка встановила нові правила для опису мікросвіту, де частинки поводяться не так, як ми звикли бачити в макросвіті. Вона враховує ймовірність, власне стан частинок, і принципи неозначеності Гейзенберга.

1. Принцип неозначеності Гейзенберга (1927 рік)
Вернер Гейзенберг вперше сформулював принцип неозначеності, який стверджує, що неможливо точно визначити одночасно точне положення і імпульс частинки. Цей принцип має величезне значення в квантовій механіці та змінив наше розуміння мікросвіту.

2. Матрична механіка Гейзенберга  (1925 рік)
Гейзенберг разом із Шрьодінгером та Діраком був співзасновником квантової механіки. Він розробив матричний підхід до опису квантових систем, який дозволив точніше розраховувати властивості атомів та молекул.

Квантова революція вплинула на розвиток технологій, таких як квантові комп'ютери, які можуть вирішувати складні завдання набагато швидше, ніж сучасні суперкомп'ютери.

Квантова фізика допускає багато дивних парадоксів, наприклад, парадокс Ейнштейна-Подольского-Розена, що стосується "заплутаних" частинок. Ці парадокси залишають фізиків з численними викликами і загадками.

Висновок

Квантова революція перетворила наше розуміння природи, відкривши двері до нових технологічних досягнень та викликів. Вивчення квантової фізики може бути навіть захопливим та інтригуючим дослідженням для молодих вчених.

# data[].attributes.headline
Види квантових технологій

# data[].attributes.subject
Види квантових технологій

# data[].attributes.body
Поява величезної кількості технологічних інновацій є однією з характерних ознак нашого часу. Такі технології можуть повністю змінити наше повсякденне життя, соціальну, громадську, ділову, освітню та багато інших видів діяльності. Як приклад можна навести сучасні квантові технології, які, зокрема, й призводять до такого сильного впливу на суспільство.
Традиційно ці технології поділяються на чотири перспективні напрями: квантові обчислення, квантові симуляції, квантова криптографія та квантова сенсорика/метрологія.

# data[].attributes.body
1. "Data-Quantum" і "Space-Quantum", за прогнозами, вплинуть на розвиток майбутніх військових можливостей.
2. Адміністрація Джо Байдена офіційно заявила, що розробка квантового захисту вже почалася.
3. D-Wave Systems, Inc. — компанія з виробництва квантових комп'ютерів.
4. Над захистом комп'ютерних мереж від квантових технологій працюють такі IT-гіганти, як Google, Microsoft, Intel та IBM.
5. НАТО.

# data[].attributes.headline
Винаходи та можливості

# data[].attributes.subject
Винаходи та можливості

# data[].attributes.body
Сьогодні доступно багато пристроїв, які принципово залежать від ефектів квантової механіки. Квантові технології мають потенціал принести абсолютно нові можливості, дозволити нам відчувати те, що не відчувається, трансформувати кібербезпеку і дати нам змогу розв’язувати проблеми, які ми ніколи раніше не могли розв’язати. В середовищі оборони і безпеки два застосування матимуть особливо значний вплив в найближчій і середній перспективі.

# data[].attributes.headline
Квантові сенсори 

# data[].attributes.subject
Квантові сенсори 

# data[].attributes.body
Вони мають потенціал трансформувати нашу технологію вимірювання і виявлення. Вони не лише дозволяють здійснювати набагато точніші і чуттєві вимірювання, але й відкривають можливості для вимірювання речей, які ми ніколи раніше не були здатні виміряти. Квантові сенсори можуть мати дуже перспективне військове застосування. Наприклад, їх можуть використовуватись для виявлення субмарин і літаків-невидимок, вони також можуть використовуватись для високоточної навігації і синхронізації (PNT). Такі «квантові пристрої PNT» можуть використовуватись як надійні інерційні навігаційні системи, які забезпечують навігацію без необхідності у зовнішній прив’язці, такій як GPS. Це може надати радикально нові можливості для підводної навігації підводних човнів, а також як запасна система навігації для надводних платформ у разі втрати сигналу GPS.

# data[].attributes.headline
Квантовий коп'ютер

# data[].attributes.subject
Квантовий коп'ютер

# data[].attributes.body
Квантове обчислення значно посилить нашу здатність розв’язувати деякі із найскладніших проблем обчислення. По суті, кажуть, що квантове обчислення відрізняється від класичного обчислення так як класичний комп’ютер відрізняється від рахівниці.

Оскільки кубіти надзвичайно чуттєві до зовнішніх подразників, для того щоб контролювати, маніпулювати і використовувати їх кубіти потрібно охолоджувати до рівня, що наближається до абсолютного мінімуму температури (або нуля по Кельвіну), приблизно 15 мілікельвінів. Це холодніше як у космічному просторі! Фактично, всередині квантового комп’ютера найхолодніше місце відоме нам у всесвіті.
Є цілий ряд застосувань, де квантові комп’ютери принесуть особливі зміни:

1. Моделювання фізичних систем задля винайдення ліків і розроблення нових матеріалів;
2. Розв’язання комплексних проблем оптимізації в ланцюгах постачання, логістиці і фінансах;
3. Поєднання зі штучним розумом задля прискорення машинного навчання;
4.Факторизація цілих чисел, що дозволяє            розшифровувати найбільш широко застосовані протоколи кібербезпеки (наприклад, RSA, асиметричний алгоритм кодування, який застосовується для захищеного передавання даних).

З квантовими комп’ютерами на 1000 кубітів, так званими «шумними квантовими комп’ютерами проміжного масштабу» (NISQ), ми вже бачимо цінне практичне застосування для розроблення матеріалів, винайдення ліків або логістики.

# data[].attributes.headline
Квантові обчислення

# data[].attributes.subject
Квантові обчислення

# data[].attributes.body
Квантові обчислення - це тип обчислень, який використовує квантово-механічні явища, такі як суперпозиція та заплутаність, для виконання операцій над даними. Він базується на принципах квантової механіки, яка описує поведінку матерії та енергії на дуже малих масштабах, наприклад, на рівні атомів і субатомних частинок.

У традиційних обчисленнях основною одиницею інформації є біт, який може бути як 0, так і 1. На відміну від них, квантові обчислення використовують кубіти (квантові біти), які можуть представляти як 0, так і 1 одночасно - стан, відомий як суперпозиція. Ще одним важливим аспектом квантових обчислень є зв'язаність, що означає явище, коли дві частинки можуть стати пов'язаними таким чином, що стан однієї частинки впливає на стан іншої, незалежно від того, на якій відстані вони знаходяться одна від одної. Ця властивість може бути використана для створення квантових схем, які виконують операції над кількома кубітами одночасно.

# data[].attributes.body
Квантова симуляція передбачає використання квантових комп’ютерів для моделювання та імітації поведінки квантових систем, таких як молекули та матеріали. Ці симуляції можуть допомогти вченим краще зрозуміти фундаментальні властивості матерії та розробити нові матеріали з певними властивостями, такі як надпровідники або вдосконалені батареї. Квантові комп’ютери унікально підходять для цього завдання, оскільки вони можуть обробляти та зберігати інформацію принципово іншим способом, ніж класичні комп’ютери, що дозволяє їм виконувати складні обчислення набагато ефективніше.

# data[].attributes.headline
Криптографія

# data[].attributes.subject
Криптографія

# data[].attributes.body
Головна ідея квантової криптографії - передавати інформацію таким чином, щоб її не можна було перехопити. Причому це має бути неможливо не тому, що алгоритми шифрування дуже складні, і не через те, що зловмисник не має достатньо високими обчислювальними потужностями. Ми будуємо систему передачі даних так, що її злом суперечить законам фізики. Сигнали передаються по лініях зв'язку не в класичному вигляді, а за допомогою потоку одиночних фотонів. Фотон не можна розділити або виміряти, скопіювати або непомітно відвести в сторону. Він через це однозначно руйнується і не доходить до приймаючої сторони.

# data[].attributes.headline
Квантовий генератор енергії

# data[].attributes.subject
Квантовий генератор енергії

# data[].attributes.body
Квантовий генератор є джерелом когерентного електромагнітного випромінювання зі строго певною частотою і високою спрямованістю. Перші квантові генератори створили радянськими фізиками Н.Г. Басовим та A.M. Прохоровим та американським фізиком Ч. Таунсом.

Світлове випромінювання лазера створюється атомами хрому, збудженню яких служить лампа підкачки - потужна імпульсна газорозрядна трубка, спірально закручена навколо стрижня. Рубіновий лазер працює у імпульсному режимі. Існують газові та напівпровідникові лазери безперервної дії.

Властивості лазерного випромінювання:

1. Випромінювання має дуже малий кут розбіжності.
2. Світло лазера має виняткову монохроматичність.
3. Лазерний промінь – дуже потужне джерело світла.

Лазерний промінь використовується для зв'язку, особливо в космічному просторі, де немає хмар, що поглинають світло. Лазери використовуються для запису та зберігання інформації (лазерні диски). Величезна потужність лазерного променя використовується для випаровування металів у вакуумі, зварювання і т.д. За допомогою лазерного променя проводять хірургічні операції.

# data[].attributes.body
Квантова сенсорика — це область квантових технологій, що динамічно розвивається. Ця область має величезні можливості, відкриваючи шлях до безпрецедентно точного вимірювання цілого ряду фізичних параметрів: часу, відстані, швидкості, температури, магнітних полів та інших. Використовуючи силу квантових принципів ці датчики піднімають точність вимірювань на безпрецедентний рівень, зберігаючи при цьому високочастотні можливості. Одне з найперспективніших застосувань квантового зондування – це медична візуалізація. Традиційні методи візуалізації, такі як магнітно-резонансна томографія (МРТ) і комп’ютерна томографія (КТ), покладаються на велике, дороге обладнання та можуть піддавати пацієнтів потенційно шкідливому випромінюванню. З іншого боку, квантові датчики мають потенціал для отримання зображень високої роздільної здатності з мінімальним впливом радіації та за невелику частку вартості. Зараз дослідники вивчають можливість використання квантових датчиків на основі центрів азотних вакансій (NV) в алмазах, які можуть виявляти зміни в магнітних полях з винятковою чутливістю. Ці датчики можуть сприяти розробці портативних апаратів МРТ, що зробить передові технології візуалізації більш доступними для пацієнтів у всьому світі.

# data[].attributes.headline
Загрози від квантових обчислень

# data[].attributes.subject
Загрози від квантових обчислень

# data[].attributes.body
Квантові обчислення використовують потужність субатомних частинок для виконання обчислень набагато швидше, ніж традиційні обчислення. Ця технологія здатна швидше обробляти інформацію за допомогою кубітів, які можуть представляти кілька значень одночасно. Це дозволяє квантовим комп’ютерам вирішувати складні проблеми більш ефективно, ніж традиційні комп’ютери.

Однак збільшення обчислювальної потужності квантових комп’ютерів також несе з собою більший ризик порушення безпеки. Однією з основних проблем є можливість зламу квантовими комп’ютерами існуючих протоколів шифрування. Оскільки квантові комп’ютери здатні швидше обробляти інформацію, їх потенційно можна використовувати для дешифрування зашифрованих даних набагато швидше, ніж традиційні комп’ютери. Це може мати серйозні наслідки для персональних даних, а також для національної безпеки.

Щоб зменшити цей ризик, дослідники розробляють нові методи шифрування, які розроблені таким чином, щоб бути стійкими до квантових обчислень. Зокрема, дослідники досліджують використання квантової криптографії, яка використовує квантові стани для генерації безпечних ключів, які можна використовувати для автентифікації користувачів і шифрування даних. Ця технологія потенційно може забезпечити ще вищий рівень безпеки, ніж традиційні протоколи шифрування.