Автор: Талабуев Я.
В мире стремительно растет спрос на высокоточные измерения в критически важных приложениях. Этот спрос может удовлетворить квантовое зондирование — квантовые технологии будущего, которые обеспечивают измерения с чувствительностью, недоступной для классического зондирования. Более того, рынок квантового зондирования уже к 2030 году может достичь отметки в один миллиард долларов, ежегодно прирастая на 10-15%. По прогнозу McKinsey, к 2040-му эта технология кардинально изменит работу отраслей, использующих сенсорные технологии, и совершит революцию в тех из них, которые сильно зависят от точных измерений. В частности, ее можно будет использовать для обучения алгоритмов искусственного интеллекта.
- Что такое квантовые технологии и квантовое зондирование
- Применение квантового зондирования
- Перспективы квантового зондирования
- Проблемы квантового зондирования
- Самое главное о квантовом зондировании и квантовых сенсорах
Что такое квантовые технологии и квантовое зондирование
Квантовые технологии — это новое направление в науке и технике, которое базируется на принципах квантовой механики для создания новых возможностей и решений. Квантовая механика, в свою очередь — это наука о поведении очень маленьких частиц (атомов и фотонов), где действуют законы, отличающиеся от классической физики. Проще говоря, квантовые технологии используют необычное, но крайне точное поведение субатомных частиц, таких как атомы и фотоны, позволяя достичь недосягаемого ранее уровня точности. Благодаря этому квантовые технологии открывают новые горизонты в различных сферах, от медицины до финансов.
Благодаря квантовой механике так мы получаем более надежные системы квантовой навигации, более точную визуализацию медицинских результатов, более безопасную связь и, что немаловажно, более мощные вычисления.
Квантовые технологии позволяют разрабатывать новые виды устройств и систем, но чаще всего идет речь об их применении в таких направлениях:
- квантовые вычисления;
- квантовая коммуникация;
- квантовое зондирование.
Хотя квантовые вычисления обсуждают чаще других, наиболее зрелым направлением считается квантовое зондирование. Оно обладает большим потенциалом применения во многих отраслях и тесно связано с квантовыми вычислениями, так как характерные для них мощные процессоры могут ускорять скорость обработки данных с сенсоров. Те, в свою очередь, являются ключевыми компонентами квантового зондирования, обеспечивая ему сверхвысокую чувствительность и точность.
Почему мы часто используем квантовые датчики (сенсоры) в контексте квантового зондирования. Вот простое объяснение:
Квантовые датчики = «железо», физические устройства.
Квантовое зондирование = «метод», способ их применения для извлечения информации.
Перспективность этих технологий подтверждает рост количества стартапов в этой сфере и резкое увеличение государственных инвестиций. За короткий промежуток времени в Азии открылось несколько новых центров квантовых технологий (Абу-Даби, Тель-Авив, Токио), а также растущие кластеры в США. Пятерку лидеров по инвестициям в квантовые технологии открывает Япония.
Применение квантового зондирования
Квантовые датчики делают невидимое видимым. В алмазах, например, используют спины электронов в дефектах кристалла, чтобы измерять магнитные и электрические поля или даже давление. Охлажденные лазером атомы способны улавливать ускорение и вращение с невероятной точностью — такие технологии можно применять в навигации без GPS. А сверхпроводящие цепи (SQUID) позволяют фиксировать слабейшие магнитные сигналы, например, в медицинской диагностике мозга.
Квантовое зондирование открывает путь к созданию новой технологической экосистемы, где ранее недоступные явления становятся наблюдаемыми. Это даст уникальные массивы данных и свежие идеи для множества отраслей, а также станет топливом для обучения алгоритмов ИИ в самых разных сферах.
Рассмотрим наиболее распространенные варианты коммерческого применения данной технологии — они имеют наибольший потенциал в решении проблем, с которыми сегодня сталкиваются лидеры рынка.
Визуализация данных и диагностика
Квантовые датчики имеют большой потенциал в определении точного местоположения магнитных сигналов в организме человека. Сегодня чаще используются традиционные методы диагностики (например, МРТ), которые ограничены в своих возможностях и требуют применения громоздкого и хрупкого оборудования. В то же время в McKinsey считают, что альтернатива им может появиться уже в 2030 году, а производство датчиков для новых систем вскоре выйдет на новый масштаб.
Квантовая навигация
Квантовые датчики, в том числе магнитометры на основе нейтральных атомов или алмазов, помогут раскрыть новые возможности в системах навигации, предназначенных для самых разных видов транспорта. При этом больше не будет необходимости в использовании спутниковых сигналов GPS, которые бесполезных в экранированных средах, под водой или под землей. Плюс квантовых датчиков еще и в том, что они не требуют регулярной калибровки и в 10-20 раз чувствительнее, что делает измерения с ними более точными. Исследования показывают, что такие датчики могут быть готовы к коммерческому использованию в течение нескольких ближайших лет.
Микроэлектроника
С помощью квантовых датчиков можно более эффективно обнаруживать дефекты и определять рабочие состояния в микроэлектронике. Совсем скоро их использование может стать обычной практикой при проектировании интегральных схем с трехмерной архитектурой третьего поколения. Первые такие датчики уже доступны и задействованы в экспериментальных проектах. Считается, что они повысят точность и надежность операций в производстве микросхем, критически важных для устройств следующего поколения, включая ИИ и системы обработки данных.
Подземные измерения
Надежные и точные измерения под землей — следующий вариант коммерческого применения квантовых датчиков. Они более надежные и обеспечивают более точные результаты измерений, особенно в суровых климатических условиях. Кроме того, с их помощью можно эффективно выявлять разломы, находить полезные ископаемые и источники воды. Плюс использования квантовых датчиков в этих задачах еще и в том, что они имеют компактные размеры и при этом умеют точно идентифицировать магнитные и гравитационные поля от посторонних помех. Все вместе это позволяет увеличить разрешение карт, которые фотографируют с помощью беспилотных летательных аппаратов, более чем в десять раз!
Национальная безопасность и оборона
Уже сегодня квантовые гравиметры тестируются для подземного картографирования военных сооружений, а квантовые магнитометры — для обнаружения скрытых подлодок. Такие проекты активно финансируются в США (DARPA), Китае и ЕС (Quantum Flagship).
Мониторинг окружающей среды
Квантовые датчики способны измерять малейшие колебания гравитационного поля Земли, что открывает возможность точного прогнозирования землетрясений, вулканической активности и изменения ледников. Это может стать революцией в раннем предупреждении природных катастроф.
Больше о практических возможностях квантового зондирования можно узнать в исследовании «Quantum sensing can already make a difference. But where?», опубликованном Journal of Innovation Management.
О том, на какой стадии развития находится рынок квантового зондирования и каковы перспективы его роста в ближайшее время, видно из этой инфографики:
Перспективы квантового зондирования
Потенциал использования квантовых сенсоров не ограничивается описанными выше кейсами, так как новые знания, полученные благодаря использованию квантовых датчиков для наблюдения и мониторинга, открывают много других возможностей. Чтобы их реализовать, уже разрабатывается специальное оборудование и алгоритмы искусственного интеллекта для анализа данных.
Квантовые сенсоры и облачные технологии имеют все шансы стать идеальным сочетанием для отраслей, которые зависят от обработки больших объемов данных и требуют создания безопасной среды для вычислений. По мере развития технологии квантового зондирования растет интерес к облачным платформам, которые располагают необходимыми вычислительными мощностями для анализа данных в реальном времени.
Оптимальной средой для работы с квантовыми сенсорами могут стать гибридные вычислительные среды. Они позволят организациям эффективно обрабатывать данные с квантовых сенсоров и мгновенно использовать результаты обработки в своих IT-экосистемах. Это создаст основу для разработки и продвижения инновационных приложений в таких областях, как автономная навигация, медицинская диагностика и геофизические исследования, обучение новых ИИ-алгоритмов.
Варианты использования квантового зондирования сегодня, в кратко- и долгосрочной перспективе:
| Временные рамки | Применение |
| Уже используется | Навигация на основе атомных часов в спутникахМониторинг вулканической активностиПодземный анализ труб, сооружений и линий электропередачВизуализация травм мозгаКвантовое измерение температуры в клетках и микроорганизмахКвантовая диагностика заболеваний через спектроскопию отдельных биомаркеров |
| Ближайшее будущее | Выявление дефектов и улучшение конструкции батарейКвантовая навигация в авиации и судоходстве, в том числе на основе квантовых сенсоров без GPSРазработка усилителей для радиолокацииМониторинг температуры в трансформаторах и на электростанцияхКонтроль устойчивости и целостности инфраструктурыГеологическая разведка нефти, газа и минераловОтслеживание метаболических изменений в клетках |
| Долгосрочная перспектива | Повышение эффективности солнечных батарейОпределение структуры белкаПерсонализированный подбор медицинских препаратов с помощью одиночных клеточных сенсоровМониторинг безопасности и надежности «чипов-на-кристалле»Разработка магнитометров для термоядерных реакторов |
Проблемы квантового зондирования
Несмотря на огромный потенциал, квантовое зондирование сталкивается с рядом вызовов, которые мешают его массовому внедрению.
- Сложность и дороговизна оборудования. Большинство квантовых сенсоров требуют особых условий: сверхнизких температур, вакуума или прецизионного контроля окружающей среды. Это делает их производство и эксплуатацию крайне затратными, а значит — ограничивает применение вне лабораторий.
- Миниатюризация и надежность. Перенос технологий из исследовательских центров в компактные, устойчивые к вибрациям и климатическим факторам устройства — одна из главных задач. Пока квантовые сенсоры слишком хрупкие и громоздкие, чтобы стать массовыми.
- Ограниченная инфраструктура. Для работы с данными квантового зондирования нужны высокопроизводительные вычислительные мощности и специализированные алгоритмы. Без интеграции с облачными системами и ИИ сенсоры сами по себе не принесут пользы.
- Недостаток специалистов. Квантовые технологии требуют экспертов на стыке физики, инженерии, математики и ИТ. Таких кадров сейчас мало, и это тормозит как разработки, так и внедрение решений.
- Долгий цикл коммерциализации. Даже если технологии готовы в лаборатории, превращение их в массовый рынок может занять годы или десятилетия. История с квантовыми вычислениями показывает, что хайп часто опережает реальные возможности.
Именно поэтому не стоит ждать мгновенной отдачи от квантового зондирования. Сегодня оно проходит путь от экспериментальной технологии к промышленной, и его внедрение будет идти постепенно: сначала — в нишевых проектах (навигация под водой, квантовая диагностика мозга), затем — в более широких секторах экономики.
Комментарий эксперта:
«С точки зрения экономики, квантовое зондирование станет ключевым драйвером развития смежных рынков: облачных вычислений, цифровых двойников и интернета вещей (IoT). Эффективность технологии квантового зондирования напрямую зависит от вычислительной инфраструктуры. Чем больше данных будут генерировать квантовые сенсоры, тем выше станет потребность в облачных решениях для их обработки и в алгоритмах искусственного интеллекта, способных превращать «сырые» сигналы в знания. Триаду «квантовое зондирование + облако + ИИ» уже называют фундаментом будущей цифровой экономики. Это означает, что квантовые сенсоры будут не просто отдельной технологией, а ключевым элементом умных экосистем — от медицины и геологии до транспорта и энергетики. Именно на этом стыке рождается реальная революция: данные становятся основой для новых открытий, а облачные и ИИ-системы превращают их в ценность для общества и бизнеса».
Самое главное о квантовом зондировании и квантовых сенсорах
- Квантовое зондирование — наиболее зрелое направление квантовых технологий.
- Основу технологии составляют квантовые датчики, фиксирующие то, что раньше было невидимым.
- Уже сегодня сенсоры применяются в медицине, навигации, геологии и обороне.
- В ближайшие годы — рост применения в электронике, энергетике и мониторинге инфраструктуры.
- Ключевой эффект — появление новых массивов данных для обучения ИИ и облачных сервисов.
- Массовое внедрение ограничено дороговизной, сложностью оборудования и нехваткой кадров.
- Оптимальная среда для работы сенсоров — гибридные облака и интеграция с ИИ.
- «Триада будущего» — квантовое зондирование + облако + ИИ — фундамент цифровой экономики.
Узнайте больше о возможностях облачных вычислений для вашего бизнеса — в Colobridge вам предложат публичное, частное, гибридное облако или любую другую облачной и/или физической инфраструктуры под ваши задачи и бюджет.
