Автор: Талабуєв Я.
У світі стрімко зростає попит на високоточні виміри у критично важливих додатках. Цей попит може задовольнити квантове зондування — квантові технології майбутнього, які забезпечують вимірювання з чутливістю, яка недоступна для класичного зондування. Більше того, ринок квантового зондування вже до 2030 року може досягти позначки один мільярд доларів, щорічно приростаючи на 10-15%. За прогнозом McKinsey, до 2040-го ця технологія кардинально змінить роботу галузей, що використовують сенсорні технології, і здійснить революцію в тих, які сильно залежать від точних вимірювань. Зокрема її можна буде використовувати для навчання алгоритмів штучного інтелекту.
- Що таке квантові технології та квантове зондування
- Застосування квантового зондування
- Перспективи квантового зондування
- Проблеми квантового зондування
- Найголовніше про квантове зондування та квантові сенсори
Що таке квантові технології та квантове зондування
Квантові технології — це новий напрямок у науці та техніці, який базується на принципах квантової механіки для створення нових можливостей та рішень. Квантова механіка, своєю чергою, — це наука про поведінку дуже маленьких частинок (атомів і фотонів), де діють закони, що відрізняються від класичної фізики. Простіше кажучи, квантові технології використовують незвичайну, але вкрай точну поведінку субатомних частинок, таких як атоми та фотони, дозволяючи досягти недосяжного рівня точності. Завдяки цьому квантові технології відкривають нові горизонти у різних сферах, від медицини до фінансів.
Завдяки квантовій механіці ми отримуємо більш надійні системи квантової навігації, більш точну візуалізацію медичних результатів, безпечніший зв’язок і, що важливо, більш потужні обчислення.
Квантові технології дозволяють розробляти нові види пристроїв та систем, але найчастіше йдеться про їх застосування у таких напрямках:
- квантові обчислення;
- квантова комунікація;
- квантове зондування.
Хоча квантові обчислення обговорюють частіше за інших, найбільш зрілим напрямом вважається квантове зондування. Воно має великий потенціал застосування в багатьох галузях і тісно пов’язане з квантовими обчисленнями, оскільки характерні для них потужні процесори можуть прискорювати швидкість обробки даних із сенсорів. Ті, своєю чергою, є ключовими компонентами квантового зондування, забезпечуючи йому надвисоку чутливість і точність.
Чому ми часто використовуємо квантові датчики (сенсори) у контексті квантового зондування. Ось просте пояснення:
Квантові датчики = «залізо», фізичні пристрої.
Квантове зондування = метод, спосіб їх застосування для вилучення інформації.
Перспективність цих технологій підтверджує зростання кількості стартапів у цій сфері та різке збільшення державних інвестицій. За короткий проміжок часу в Азії відкрилося кілька нових центрів квантових технологій (Абу-Дабі, Тель-Авів, Токіо), а також кластери, що зростають у США. П’ятірку лідерів з інвестицій у квантові технології відкриває Японія:
Застосування квантового зондування
Квантові датчики роблять невидиме видимим. В алмазах, наприклад, використовують спини електронів у дефектах кристала, щоб вимірювати магнітні та електричні поля або навіть тиск. Охолоджені лазером атоми здатні вловлювати прискорення та обертання з неймовірною точністю — такі технології можна застосовувати у навігації без GPS. А надпровідні ланцюги (SQUID) дозволяють фіксувати слабкі магнітні сигнали, наприклад, у медичній діагностиці мозку.
Квантове зондування відкриває шлях до створення нової технологічної екосистеми, де раніше недоступні явища стають спостережуваними. Це дасть унікальні масиви даних та свіжі ідеї для безлічі галузей, а також стане паливом для навчання алгоритмів ШІ в різних сферах.
Розглянемо найбільш поширені варіанти комерційного застосування цієї технології — вони мають найбільший потенціал у вирішенні проблем, з якими сьогодні стикаються лідери ринку.
Візуалізація даних та діагностика
Квантові датчики мають великий потенціал у визначенні точного розташування магнітних сигналів в організмі людини. Сьогодні частіше використовуються традиційні методи діагностики (наприклад, МРТ), які обмежені у своїх можливостях та вимагають застосування громіздкого та тендітного обладнання. У той же час у McKinsey вважають, що альтернатива їм може з’явитися вже в 2030 році, а виробництво датчиків нових систем незабаром вийде на новий масштаб.
Квантова навігація
Квантові датчики, у тому числі магнітометри на основі нейтральних атомів або алмазів, допоможуть розкрити нові можливості в системах навігації, призначених для різних видів транспорту. При цьому більше не буде потреби у використанні супутникових сигналів GPS, які є непотрібними в екранованих середовищах, під водою або під землею. Плюс квантових датчиків ще й у тому, що вони не вимагають регулярного калібрування і в 10-20 разів чутливіші, що робить виміри з ними точнішими. Дослідження показують, що такі датчики можуть бути готовими до комерційного використання протягом кількох найближчих років.
Мікроелектроніка
За допомогою квантових датчиків можна більш ефективно виявляти дефекти та визначати робочі стани у мікроелектроніці. Незабаром їх використання може стати звичайною практикою при проєктуванні інтегральних схем з тривимірною архітектурою третього покоління. Перші такі датчики вже доступні та задіяні в експериментальних проєктах. Вважається, що вони підвищать точність та надійність операцій у виробництві мікросхем, критично важливих для пристроїв наступного покоління, включаючи ШІ та системи обробки даних.
Підземні виміри
Надійні та точні виміри під землею — наступний варіант комерційного застосування квантових датчиків. Вони більш надійні та забезпечують точніші результати вимірювань, особливо в суворих кліматичних умовах. Крім того, з їх допомогою можна ефективно виявляти розломи, знаходити корисні копалини та джерела води. Плюс використання квантових датчиків у цих завданнях ще й у тому, що вони мають компактні розміри та при цьому вміють точно ідентифікувати магнітні та гравітаційні поля від сторонніх перешкод. Все разом це дозволяє збільшити роздільну здатність карт, які фотографують за допомогою безпілотних літальних апаратів, більш ніж у десять разів!
Національна безпека та оборона
Вже сьогодні квантові гравіметри тестуються для підземного картографування військових споруд, а квантові магнітометри для виявлення прихованих підводних човнів. Такі проєкти активно фінансуються у США (DARPA), Китаї та ЄС (Quantum Flagship).
Моніторинг довкілля
Квантові датчики здатні вимірювати найменші коливання гравітаційного поля Землі, що відкриває можливість точного прогнозування землетрусів, вулканічної активності та зміни льодовиків. Це може стати революцією у ранньому попередженні природних катастроф.
Більше про практичні можливості квантового зондування можна дізнатися у дослідженні Quantum sensing can already make a difference. But where?», опублікованому Journal of Innovation Management.
Про те, на якій стадії розвитку знаходиться ринок квантового зондування і які перспективи його зростання найближчим часом видно з цієї інфографіки:
Перспективи квантового зондування
Потенціал використання квантових сенсорів не обмежується описаними вище кейсами, оскільки нові знання, отримані завдяки використанню квантових датчиків для спостереження та моніторингу, відкривають багато інших можливостей. Щоб їх реалізувати, вже розробляється спеціальне обладнання та алгоритми штучного інтелекту для аналізу даних.
Квантові рецептори та хмарні технології можуть стати ідеальним поєднанням для галузей, які залежать від обробки великих обсягів даних і вимагають створення безпечного середовища для обчислень. У міру розвитку технології квантового зондування зростає інтерес до хмарних платформ, які мають необхідні обчислювальні потужності для аналізу даних у реальному часі.
Оптимальним середовищем для роботи з квантовими сенсорами можуть стати гібридні обчислювальні середовища. Вони дозволять організаціям ефективно обробляти дані із квантових сенсорів та миттєво використовувати результати обробки у своїх IT-екосистемах. Це створить основу для розробки та просування інноваційних програм у таких областях, як автономна навігація, медична діагностика та геофізичні дослідження, навчання нових ШІ-алгоритмів.
Варіанти використання квантового зондування сьогодні, у коротко- та довгостроковій перспективі:
| Часові межі | Використання |
| Вже використовується | Навігація на основі атомного годинника в супутникахМоніторинг вулканічної активностіПідземний аналіз труб, споруд та ліній електропередачВізуалізація травм мозкуКвантовий вимір температури в клітинах та мікроорганізмахКвантова діагностика захворювань через спектроскопію окремих біомаркерів |
| Найближче майбутнє | Виявлення дефектів та покращення конструкції батарейКвантова навігація в авіації та судноплавстві, в тому числі на основі квантових сенсорів без GPSРозробка підсилювачів для радіолокаціїМоніторинг температури в трансформаторах та на електростанціяхКонтроль стійкості та цілісності інфраструктуриГеологічна розвідка нафти, газу та мінералівВідстеження метаболічних змін у клітинах |
| Довгострокова перспектива | Підвищення ефективності сонячних батарейВизначення структури білкаПерсоналізований підбір медичних препаратів за допомогою поодиноких клітинних сенсорівМоніторинг безпеки та надійності «чіпів-на-кристалі»Розробка магнітометрів для термоядерних реакторів |
Проблеми квантового зондування
Попри величезний потенціал, квантове зондування стикається з низкою викликів, що заважають його масовому впровадженню.
- Складність та дорожнеча обладнання. Більшість квантових сенсорів вимагають особливих умов: наднизьких температур, вакууму чи прецизійного контролю довкілля. Це робить їх виробництво та експлуатацію вкрай витратними, а отже, обмежує застосування поза лабораторіями.
- Мініатюризація та надійність. Перенесення технологій з дослідницьких центрів у компактні, стійкі до вібрацій та кліматичних факторів пристрою — одне з головних завдань. Поки квантові сенсори надто крихкі та громіздкі, щоб стати масовими.
- Обмежена інфраструктура. Для роботи з даними квантового зондування потрібні високопродуктивні обчислювальні потужності та спеціалізовані алгоритми. Без інтеграції з хмарними системами та ШІ сенсори власними силами не принесуть користі.
- Нестача фахівців. Квантові технології вимагають експертів на стику фізики, інженерії, математики та ІТ. Таких кадрів нині мало, і це гальмує як розробки, і впровадження рішень.
- Довгий цикл комерціалізації. Навіть якщо технології готові до лабораторій, перетворення їх на масовий ринок може зайняти роки або десятиліття. Історія з квантовими обчисленнями показує, що Хайп часто випереджає реальні можливості.
Саме тому не варто чекати на миттєву віддачу від квантового зондування. Сьогодні воно проходить шлях від експериментальної технології до промислової, і його впровадження йтиме поступово: спочатку — у нішевих проєктах (навігація під водою, квантова діагностика мозку), потім у ширших секторах економіки.
Chief Operating Officer Colobridge, Андрій Михайленко:
«З точки зору економіки квантове зондування стане ключовим драйвером розвитку суміжних ринків: хмарних обчислень, цифрових двійників та інтернету речей (IoT). Ефективність технології квантового зондування залежить від обчислювальної інфраструктури. Чим більше даних генеруватимуть квантові сенсори, тим вищою стане потреба в хмарних рішеннях для їх обробки та в алгоритмах штучного інтелекту, здатних перетворювати «сирі» сигнали на знання. Тріаду «квантове зондування + хмара + ШІ» вже називають фундаментом майбутньої цифрової економіки. Це означає, що квантові рецептори будуть не просто окремою технологією, а ключовим елементом розумних екосистем — від медицини та геології до транспорту та енергетики. Саме на цьому стику народжується реальна революція: дані стають основою для нових відкриттів, а хмарні та ШІ-системи перетворюють їх на цінність для суспільства та бізнесу».
Найголовніше про квантове зондування та квантові сенсори
- Квантове зондування — найбільш зрілий напрямок квантових технологій.
- Основу технології становлять квантові датчики, що фіксують те, що раніше було невидимим.
- Вже сьогодні сенсори застосовуються в медицині, навігації, геології та обороні.
- Найближчими роками — зростання застосування в електроніці, енергетиці та моніторингу інфраструктури.
- Ключовий ефект — поява нових масивів даних для навчання ШІ та хмарних сервісів.
- Масове використання обмежено дорожнечею, складністю обладнання та нестачею кадрів.
- Оптимальне середовище для роботи сенсорів — гібридні хмари та інтеграція з ШІ.
- «Тріада майбутнього» — квантове зондування + хмара + ШІ — фундамент цифрової економіки.
Дізнайтеся більше про можливості хмарних обчислень для вашого бізнесу — в Colobridge вам запропонують публічну, приватну, гібридну хмару або будь-яку іншу хмарну та/або фізичну інфраструктуру під ваші завдання та бюджет.
