Курс «Квантовые технологии»

Цикл видеолекций о квантовых технологиях

Что такое квантовый компьютер? И как, основываясь на законах квантовой механики, сделать секретную линию связи и суперчувствительный сенсор? О новых технологиях и лежащих в их основе парадоксах квантовой механики в курсе «Квантовые технологии» рассказывает Алексей Федоров из Российского квантового центра.

С чего все начиналось

В самом начале XX века в физике господствовали детерминистические представления о мире: казалось, что задав начальные условия, ученые уже скоро смогут описать, как развивалась Вселенная, и спрогнозировать, что будет в будущем. Нерешенных задач оставалось совсем немного: например, физики не понимали, по каким законам абсолютно черное тело излучает свет. Эту задачу решил Макс Планк и своим решением перевернул все существовавшие тогда взгляды. Оказалось, что излучение не непрерывно: оно излучается маленькими порциями, квантами. Это и положило начало новой области физики — квантовой механике.

«Квантовая механика так привлекательна и интересна, потому что содержит внутри себя множество на первый взгляд контринтуитивных и парадоксальных концепций», — рассказывает Федоров. Например, парадоксальным кажется явление суперпозиции. В отличие от человека, который если уж находится в каком-то месте, то он находится только там и больше нигде, квантовая частица до момента наблюдения может находится во всех возможных состояниях одновременно.

Другой пример — это двухщелевой эксперимент. «Представьте себе, что у нас есть квантовая частица — фотон или электрон, которая налетает на плоскость с двумя щелями. Мы наблюдаем лишь за экраном, расположенным за этими двумя щелями и видим интерференционную картину, — рассказывает Федоров, — Нам привычней думать, что фотон или электрон — это какая-то частичка, однако в двущелевом эксперименте она ведет себя как волна — она интерферирует». Впрочем, как только мы попытаемся пронаблюдать за тем, в какую именно щель влетает электрон, он тут же начинает вести себя как частичка и интерференционная картина пропадает.

Подробнее о парадоксах, которые могут быть использованы для создания новых технологий:



Квантовая запутанность

После открытия квантовой механики ученые наконец-то смогли описать многие прежде не до конца понятные физические явления. «Одним из наиболее ярких проявлений применения законов квантовой физики к описанию наблюдаемых явлений являлся фотоэлектрический эффект. Работа по фотоэлектрическому эффекту была написана Альбертом Эйнштейном, — рассказывает Федоров — Несмотря на то, что из этого можно сделать вывод, что Альберт Эйнштейн является одним из первых ученых, применивших квантовую физику для описания наблюдаемых явлений, он идеологически был ее противником».

Чтобы продемонстрировать неполноту квантовой механики, Эйнштейн в соавторстве с Подольским и Розеном описал следующий мысленный эксперимент. Допустим, что у нас была частица, которая распалась на две. Одну из новых частиц мы отправили в Туманность Андромеды, а вторую оставили в лаборатории на Земле. Параметры исходной частицы были известны, а для получившихся частиц мы их не знаем до тех пор, пока не проведем измерение. Однако вот парадокс: если измерить параметры частицы в лаборатории, то мы тут же, мгновенно, узнаем состояние частицы из далекой туманности. Получается, что информация будто бы передается быстрее, чем со скоростью света, а частицы проявляют так называемые нелокальные корреляции или свойство квантовой запутанности.

В действительности, никакого парадокса здесь нет: чтобы узнать результаты эксперимента мы пользуемся обычными средствами коммуникации, передающими информацию со скоростью меньшей, чем скорость света. Кроме того, кажущееся парадоксальным и не имеющее аналогов в классической физике свойство квантовой запутанности действительно наблюдается в экспериментах и может быть использовано, например, в квантовых линиях связи.

О квантовой запутанности — второе видео курса «Квантовые технологии»:



Телепортация

Когда речь заходит о телепортации, мы представляем себе фантастическую картину: человек мгновенно перемещающегося в пространстве. В квантовой физике тоже существует концепция телепортации, которая, в отличие от телепортации людей, вполне реальна. Правда, при этом из одного места в другое переносится не сам объект, а информация о его квантовом состоянии. «В некотором смысле, в квантовой физике нет различия между тем, чтобы перенести физический объект из одной точки в другую или каким-то образом воспроизвести состояние системы из точки А в точке Б», — поясняет Федоров.

Самый простой возможный эксперимент — это телепортация света, потому что свет передается с большой скоростью и, по крайней мере в вакууме и в воздухе, не взаимодействует сам с собой. Однако эксперименты по телепортации породили гонку между различными лабораториями мира. Научные группы соревнуются как в дальности телепортации, так и в сложности телепортируемых систем. Например, несколько лет назад стали популярны эксперименты по телепортации не единичных частичек света, фотонов, а целых атомных ансамблей.

Квантовая телепортация — это не только красивый пример парадоксальности квантовой механики, ее также можно использовать для создания новых технологий. «Одно из наиболее интересных приложений квантовой телепортации — это квантовые коммуникации, то есть возможность обмениваться информацией так, чтобы эта информация на уровне фундаментальных законов физики не была доступна злоумышленникам, — рассказывает Федоров. — Основная проблема квантовых коммуникаций — это расстояние. Одной из технологий, которая может лежать в основе удлинения этих линий связи, является квантовая телепортация».

Подробнее о квантовой телепортации смотрите в видео:



Квантовые симуляторы

Настало время перейти от свойств квантовых систем к их возможным технологическим применениям. С каждым годом компьютеры становятся все мощнее и мощнее, а их составные элементы — все меньше и меньше. Но всему есть предел: ученым вряд ли когда-нибудь удастся сделать элементы компьютера, например, транзисторы, размером меньше, чем один атом. Встает вопрос: что делать дальше? С одной стороны, можно идти проверенным путем и продолжать делать транзисторы все меньше и меньше — и так до предела. Однако в такой миниатюрной системе квантовые эффекты начинают вступать в игру. Именно они и открывают перед исследователями новые горизонты: быть может, с их помощью удастся сделать компьютеры совершенно нового типа?

Вспомним, что в обычном компьютере информация хранится в виде битов, которые принимают только два значения: либо ноль, либо один. Но квантовая система может находится в состоянии суперпозиции, то есть во всех возможных состояниях одновременно: например, квантовый бит может принимать значения «ноль» и «один» в один и тот же момент. «То есть это будет компьютер, на базовом уровне которого заложен некоторый параллелизм», — рассказывает Федоров.

Разумеется, такие компьютеры могут быть полезны в решении многих математических задач, но впервые о вычислительной системе квантового типа заговорили в связи с изучением свойств материалов. В твердом теле атомы и молекулы выстраиваются в строго определенном порядке, образуя кристаллическую решетку, внутри которой движутся электроны. Рассчитать поведение электронов в такой системе напрямую достаточно сложно, однако, ученые нашли выход, сымитировав ее с помощью света и атомов. Это и есть простейший квантовый вычислитель или, как его еще называют, квантовый симулятор.

С его помощью ученые пытаются найти материалы с новыми свойствами, например, с высокотемпературной сверхпроводимостью. Когда материал становится сверхпроводящим, он может проводить электрический ток без потерь. Сегодня известно, как сверхпроводимость возникает при очень низкой температуре, но ученые не перестают мечтать о том, чтобы сделать сверхпроводник, сохраняющий свои уникальные свойства даже при комнатной температуре. В поисках таких соединений уже сегодня помогают квантовые симуляторы.

Подробнее:



Квантовый компьютер

Хотя квантовые симуляторы очень помогают физикам, их еще нельзя назвать настоящими квантовыми компьютерами. Ведь универсальный компьютер должен уметь решать не одну, а целое множество различных задач. Причем, в силу квантового параллелизма вычислений, с некоторыми задачами квантовый компьютер должен справляться гораздо быстрее классического. Например, к таким задачам относится разложение числа на простые множители. Современные компьютеры справляются с этой задачей достаточно медленно, из-за чего ее часто используют для передачи ключа при шифровании: пока неповоротливый компьютер злоумышленника будет искать решение, ключ потеряет свою актуальность. Однако появление шустрого квантового компьютера могло бы, по словам Федорова, «полностью изменить игру в квантовую безопасность».

Разумеется, это привлекло огромный интерес к квантовым компьютерам. Однако создать такой компьютер очень и очень сложно, ведь, как мы помним из предыдущих лекций, состояние суперпозиции, которое делает квантовый компьютер таким уникальным, легко разрушается при наблюдении или взаимодействии с окружением. Опыт же говорит нам, что для работы компьютера его элементы обязаны взаимодействовать между собой. Получается, что квантовые биты — кубиты — необходимо изготовить и соединить таким образом, чтобы они могли общаться между собой и при этом не выходить из состояния суперпозиции.

Как это сделать? Ученые полагают, что лучше всего изготавливать квантовые биты из маленьких кусочков сверхпроводника. Однако компьютер — это не только процессор, но и память, и каналы передачи информации. И, если для создания процессора больше всего подходит сверхпроводник, то для передачи информации — частички света, фотоны, а для ее хранения — атомные ансамбли. «Таким образом, мы приходит к парадигме гибридного квантового компьютера, где каждый структурный элемент может быть создан при помощи различных физических систем», — рассказывает Федоров.

Больше о задачах и структуре квантового компьютера смотрите в видео:



Квантовые сенсоры

Квантовая система очень хрупкая — взаимодействие с окружением легко меняет ее состояние. Это мешает создателям квантовых компьютеров, однако, быть может, этому свойству тоже найдется применение? Ведь если система очень чувствительна к любым изменениям в окружающей среде, из нее выйдет отличный прибор для измерения этих изменений или, проще говоря, сенсор.

Например, такие сенсоры очень пригодятся в медицине, ведь с их помощью можно будет отслеживать, как передаются сигналы в отдельных нейронах или что происходит в разных частях клетки. «Однако этим применение квантовых сенсоров не ограничивается, — добавляет Федоров. — Квантовые сенсоры, например, можно встраивать в материалы на уровне их создания... И можно в режиме реального времени отслеживать процессы, например, старения материалов на очень-очень детальном уровне».

Кроме того, с помощью квантовых сенсоров можно будет сделать более точные приборы, например, для измерения времени. А это, в свою очередь, позволит куда точнее следить за перемещениями в пространстве: это и GPS, определяющий ваше местоположение с точностью до сантиметров, и более надежное позиционирование для беспилотных автомобилей.

Получается, что уже сегодня квантовые сенсоры востребованы в совершенно различных областях. Больше примеров — в видео:



Криптография и связь



Анна Шустикова
Теги:

Читать еще на Чердаке: