Эта статья была впервые опубликована CSIRO на их сайте с новостями исследований.
Вы, наверное, слышали термин «квантовый скачок», означающий «внезапное, значительное или очень очевидное (обычно большое) увеличение или прогресс». Но «квантовый скачок» не является научным термином. И «квантовый» вовсе не означает что-то большое. На самом деле, квант объясняет поведение мира на самом маленьком уровне.
Используя принципы работы на этом квантовом уровне, наука разрабатывает новые технологии, которые могут изменить то, как мы занимаемся медициной и здравоохранением, энергетикой, вычислениями, разведкой полезных ископаемых, финансами, связью и многим другим в будущем.
Некоторые квантовые технологии уже стали реальностью. Например, аппараты МРТ основаны на квантовых явлениях. Квантовые компьютеры, которые обещают решать задачи, недоступные для решения сейчас, существуют, но находятся на ранних стадиях разработки. Квантовые батареи, которые могут революционизировать хранение энергии, всё ещё находятся на самых ранних этапах перехода от теории к экспериментам.
Обнаружение железа в крови
Железо жизненно важно для всех живых организмов. Оно отвечает за множество биологических функций в нашем организме, таких как выработка энергии, транспортировка кислорода и рост клеток.
Однако недостаток железа является основной причиной дефицита микроэлементов в мире. По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации Объединённых Наций, он затрагивает более 2 миллиардов человек.
Диагностика дефицита железа может быть медленной и сложной, а лечение неадекватно во всём мире, особенно для женщин и детей.
В мир квантовых технологий!
CSIRO совместно с Университетом Мельбурна, Институтом нейробиологии и психического здоровья Флори и другими партнёрами работает над использованием запатентованной технологии квантовых датчиков для обнаружения ферритина в сыворотке крови. Ферритин — один из ключевых анализов крови на дефицит железа. Это белок, который используется как косвенный показатель количества железа, хранящегося в организме. В отличие от этого, квантовые датчики измеряют фактическое количество железа, связанного с ферритином.
Эта технология может стать более быстрым и точным способом диагностики дефицита железа и может оказать огромное влияние во всём мире.
Задача «Квантум 2032»
Олимпиада — это не только платформа для австралийского спорта, но и шанс продемонстрировать австралийскую науку и технологии. Пока Брисбен готовится принять Олимпийские и Паралимпийские игры 2032 года, исследователи из CSIRO и Университета Гриффита используют квантовые вычисления, чтобы сделать проведение Игр более безопасным и доступным.
Команда разрабатывает продвинутые алгоритмы для прогнозирования и предотвращения опасного скопления пешеходов в районах с интенсивным движением, таких как Саутбанк и центральный деловой район. Они также работают над улучшением расписания для более чем 1000 пользователей инвалидных колясок каждый день, помогая планировщикам максимально эффективно использовать ограниченные парки макси-такси и общественные транспортные средства.
Такие задачи слишком сложны или непредсказуемы для традиционного моделирования. Вот где на помощь могут прийти квантовые вычисления.
Команда тестирует решения на облачных квантовых процессорах и эмуляторах, закладывая основу для масштабируемых инструментов, работающих в режиме реального времени, которые помогут планировщикам управлять динамическими условиями по всему городу.
Если квантовые технологии помогут сделать Игры более безопасными и доступными, мы будем считать это результатом, достойным золотой медали.
Криогенная система охлаждения в вашем кармане?
Представьте будущее, в котором квантовые вычисления будут доступны так же, как смартфон в наших карманах. Или где квантовый чип встроен в наш домашний ноутбук, расширяя его возможности.
Одним из препятствий на пути к этому видению является то, что большинству квантовых компьютеров в настоящее время требуются очень низкие температуры для работы. Низкие температуры означают низкие атомные вибрации, которые поддерживают квантовые состояния и точность вычислений. В результате квантовые вычислительные установки обычно ограничены сопутствующими громоздкими, энергоёмкими криогенными системами.
На помощь пришли партнёр CSIRO по совместному предприятию — Исследовательский центр суперкомпьютеров Поузи и технологическая компания Quantum Brilliance.
Их подход заключается в интеграции квантового оборудования с классическими высокопроизводительными вычислениями. В результате они установили первый в мире квантовый компьютер на основе алмазов, работающий при комнатной температуре, расположенный на площадке в суперкомпьютерном центре в Центре Поузи в Перте.
Хотя это представляет собой прототип на ранней стадии, демонстрирующий интеграцию квантовых технологий при комнатной температуре, это захватывающий первый шаг.
Не только быстро, но и масштабно
В январе 2025 года CSIRO показала, что квантовые вычисления могут значительно улучшить решение сложных задач, связанных с огромными объёмами данных.
CSIRO интегрировала квантовые вычисления с искусственным интеллектом для создания новых моделей квантового машинного обучения. Используя уникальные свойства квантовых вычислений, включая суперпозицию и запутанность, исследователи сжали и проанализировали большой набор данных со скоростью, точностью и эффективностью, которые современные традиционные компьютеры просто не могли обеспечить.
Это показывает, как квантовые технологии могут помочь в областях, где много сложных данных. Например, в управлении движением в реальном времени, сельскохозяйственном мониторинге, здравоохранении и оптимизации энергопотребления.
В отличие от обычных бинарных битов компьютера, которые могут быть либо «включены», либо «выключены», квантовые биты (кубиты) могут существовать в нескольких состояниях одновременно, что означает, что квантовые компьютеры могут обрабатывать множество возможностей в форме суперпозиций одновременно.
Поскольку глобальный объём данных удваивается каждые несколько лет, способность квантовых вычислений справляться с такой сложностью будет становиться всё более ценной.
Иголочки наружу, точки внутри
Биомедицинские исследователи CSIRO работали с компанией Endo Axiom, спин-оффом Сиднейского университета, которая разработала метод пероральной доставки инсулина, чтобы заменить болезненные ежедневные инъекции. Это облегчит жизнь детям с диабетом 1 типа, снизив риск эпизодов гипогликемии.
Этот новый метод доставки инсулина использует квантовые точки — наночастицы полупроводников размером всего в несколько нанометров. Это одна миллионная часть миллиметра! Благодаря квантовой механике эти крошечные частицы обладают уникальными оптическими и электронными свойствами.
CSIRO помогла, дополнительно разработав метод изготовления наночастиц, покрытых инсулином, заключённых в полимерный слой, который можно проглотить. Лекарство, называемое биоконъюгатом, может противостоять высококислой среде кишечника. Когда оно достигает кишечника, ферменты запускают высвобождение инсулина. Затем он всасывается в кровоток и далее обрабатывается в печени. Инсулин полностью высвобождается без необходимости инъекций.
При поддержке учёных из Центра CSIRO по переводу биомедицинских материалов компания Endo Axiom теперь ближе к созданию клинически жизнеспособного решения для доставки инсулина.
Увеличение практического доступа
Что является одним из самых больших барьеров для компаний и исследователей в квантовой экосистеме? Практический доступ к оборудованию и программному обеспечению.
Чтобы преодолеть это, CSIRO сотрудничает с Университетом Квинсленда в создании первого в Австралии открытого квантового вычислительного тестового стенда.
При поддержке 6 миллионов долларов в рамках Стратегии Квинсленда по квантовым и передовым технологиям Национальный центр квантовых вычислений (NQCT) создаст новые возможности для квантовых инноваций, местного потенциала и роста отрасли.
QuantWare, Rohde & Schwarz и Zurich Instruments предоставляют основное аппаратное обеспечение, на котором работает центр. CSIRO также разрабатывает универсальный стек квантового программного обеспечения для поддержки тестовой среды.
Альянс за планету
Квинслендский квантовый альянс по декарбонизации объединяет экспертов в области квантовых технологий из научных кругов и промышленности для решения некоторых из самых серьёзных проблем в области климатологии и выбросов углекислого газа. CSIRO является ключевым партнёром альянса наряду с Университетом Квинсленда, Университетом Гриффита и PsiQuantum.
При поддержке инвестиций в размере 10 миллионов долларов от правительства Квинсленда альянс стремится разработать новые приложения квантовых технологий. К ним относятся вычисления для проектирования материалов, энергетические решения, химия и моделирование транспортных наборов данных.
Этот уникальный альянс станет первым в своём роде в мире и утвердит лидирующие позиции Австралии в разработке реальных приложений квантовых технологий.
Квантовые исследования CSIRO сосредоточены на датчиках, вычислениях и связи, и их цель — помочь ускорить развитие квантовой индустрии в Австралии за счёт расширения возможностей и сетей в этом секторе.
По оценкам, к 2030 году квантовые технологии будут представлять собой возможность для Австралии в размере 2,2 миллиарда долларов, обеспечив почти 9000 рабочих мест. Австралия уже стремительно движется к этой цели.
Узнайте больше об исследованиях CSIRO в области квантовых технологий.