Будущее — за тонко чувствующими: как будут выводить на рынок квантовые сенсоры

С 2020 года «Росатом» отвечает за развитие квантовых вычислений в России, а с 2026-го — квантовых сенсоров. Перспективы этих технологий обсудили на третьей встрече Квантового клуба журналистов, организованной госкорпорацией в Университете науки и технологий «МИСиС».

Ближе к делу

В 2025 году глобальные венчурные инвестиции в квантовую сферу выросли шестикратно. Китай объявил кванты основным драйвером роста национальной экономики в 2026–2030 годах. Германия и Финляндия объединились, чтобы создать квантовый компьютер на сверхпроводниках. Япония и Сингапур будут вместе делать процессор на нейтральных атомах. Главное здесь — как можно быстрее дойти до полезной модели, которая может решать прикладные задачи. Американская компания QuEra ежегодно проводит анализ квантовой готовности — опрашивает представителей науки и индустрии, развивающих эти технологии. В 2025 году только 2,5 % респондентов сообщили, что их квантовые вычисления для бизнеса вышли на окупаемость, у 6 % вычисления используются для бизнеса, но на окупаемость пока не вышли. 29 % запускали решения практических задач в пилотном режиме. Все остальные применяли квантовые вычисления только в научных исследованиях.

Самые популярные задачи эры ранних квантовых вычислений в бизнесе — маршрутизация перевозок, оптимизация инвестиционного портфеля, гидро- и аэродинамические расчеты в проектировании. Так, в июне «Росатом» и группа компаний «Магнит» подписали соглашение о внедрении квантовых вычислений в ретейл: квантовые компьютеры будут прогнозировать спрос и планировать поставки. Пилотный проект показал потенциал повышения эффективности в этих сегментах на 30–40 %.

Перспективные сенсоры

Основной темой заседания Квантового клуба журналистов были сенсоры, которые используют законы квантовой механики для регистрации магнитного поля, гравитации, электромагнитного излучения, температуры и проч. Ключевое отличие квантовых сенсоров от обычных — несопоставимо высокая чувствительность.

Например, квантовые часы (разновидность атомных) точнее самых точных на сегодня в 10 тыс. раз. Это самый необычный сенсор: он ничего не «чувствует», только определяет время, но его можно использовать в измерении других величин, например гравитации. Когда-нибудь, наверное, квантовые часы придут на смену тем, что работают в GPS и ГЛОНАСС.

Квантовый магнитометр точнее классического в 1 млн раз. В геологоразведке он заметит нужную руду по отличиям магнитных свойств и пригодится в поиске железных, редкоземельных и других месторождений. Для авианавигации можно построить карту магнитных аномалий на местности: магнитометр на борту постоянно измеряет магнитное поле и сверяется с картой. Метод не подразумевает использования излучения для ориентации, поэтому устойчив к помехам, например подавлению радиосигналов.

С нетерпением ждет квантовые сенсоры медицина. Квантовая революция позволит заглянуть буквально в каждую клетку организма.

В США, Великобритании и Китае квантовые сенсоры уже продают небольшими партиями. Россия пока отстает, поэтому развитие квантовой сенсорики включили в федеральный проект «Прикладные исследования и перспективные разработки». До 2030 года планируют получить и внедрить экспериментальные образцы устройств шести типов: магнитометры, гравиметры, гироскопы, оптические датчики, генераторы случайных чисел и эталоны. Отвечает за это «Росатом».

В некоторых узких областях российские технологии становятся лидерами рынка. Например, сверхпроводниковые детекторы одиночных фотонов компании Scontel, созданной в 2004 году сотрудниками Московского педагогического государственного университета, используют в проектах квантовой связи по всему миру.

Вычислительная люстра

В финале встречи Квантового клуба журналистов познакомили с квантовым компьютером на сверхпроводниках, созданным в МИСиСе в рамках дорожной карты по квантовым вычислениям.

Самая большая и красивая часть — криостат, его называют еще люстрой. Криостат поддерживает очень низкую температуру для работы процессора. Сам же процессор — маленькая пластина из алюминия с подложкой из кремния. Алюминий выступает как сверхпроводник, на его поверхности находятся колечки с током. Это кубиты-флаксониумы. Они управляются магнитным потоком. Если поток, проходящий через колечко, направлен вниз, ток течет по часовой стрелке, если вверх — против. Квантовые свойства дает так называемый переход Джозефсона — протекание сверхпроводящего тока через слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника. Процессором управляют с помощью микроволновых импульсов — их форма, частота и продолжительность кодируют логические операции с одним или двумя кубитами.

Есть и другие кубиты на сверхпроводниках — например, трансмоны. Их использует в своих вычислителях Google и другие компании. «Но у флаксониумов выше точность операций и больше время когерентности (время жизни квантовых состояний. — «СР»), так что все больше специалистов склоняются к тому, что будущее за флаксониумами», — замечает Наталия Малеева, директор дизайн-центра квантового проектирования МИСиСа.

Марина Авилова
Директор департамента по квантовым технологиям, «Росатом»

— Квантовые сенсоры не просто перспективная технология, а прорыв с большим потенциалом. «Росатом» намерен раскрыть его на максимум. Сейчас критически важно донести до рынка: эти устройства способны трансформировать целые отрасли промышленности, социальную сферу. Эффект от внедрения квантовых сенсоров виден в пилотных сценариях: многократный рост точности измерений там, где раньше погрешности ограничивали развитие, возможность контролировать процессы в реальном времени с недостижимым прежде разрешением, снижение издержек за счет раннего выявления отклонений. В энергетике, транспорте, медицине и геологоразведке такие сенсоры позволяют не только улучшать отдельные метрики, но и менять саму логику управления системами — делать ее предиктивной и более надежной.