Конференція Високопродуктивні обчислення, Київ, 13-15 жовтня 2014

Три головні квантові прориви - 2013

Ми часто недооцінюємо, наскільки швидко впроваджуються в повсякденне життя технології, час яких настав.

Перший лазер запрацював в лабораторії у 1960 році, а вже у 1969-му з'явився лазерний сканер штрихкодів. У 1993 році з'явився перший графічний браузер Mosaic, а у 1996-му Інтернет вже не мислився без веб-технологій. Нові технології залишають дуже невелике вікно для прийняття рішень тими, хто хоче осідлати хвилю.

Сьогодні є ознаки того, що в галузі квантової фізики відкривається нове вікно технологічного прориву, яке в разі успіху може трансформувати цілі галузі.

На початку грудня в Москві пройшла публічна лекція нобелівського лауреата з фізики Девіда Гроса, де той, говорячи про перспективи квантових технологій, зазначив: «Зміни у світі можуть виявитися настільки ж неймовірними, як і ті, до яких призвело винайдення напівпровідникового транзистора».

Прогнозувати довгостроковий характер масштабних інновацій - справа безнадійна, але цілком можна спробувати зазирнути в найближче майбутнє, наприклад, 2013 рік, та позначити найбільш перспективні теми в області квантових технологій.

Виділяють три напрямки квантово-технологічних досліджень, де в новому році можна очікувати важливі нові результати:

  • Квантова телепортація
  • Квантові повторювачі
  • Квантові симулятори

Перш ніж переходити до пояснень, треба зробити невелике, але важливе зауваження. Наш світ вже давно та широко використовує квантові технології: лазери, мікропроцесори, світлодіоди, томографи - вся ця техніка заснована на квантових властивостях матерії.

Але ці квантові технології першого покоління використовують лише масові процеси, не опускаючись на рівень управління окремими квантовими частинками. Технології другого покоління відрізняються тим, що вони працюють з індивідуальними квантовими об'єктами, відкриваючи таким чином принципово нові технічні можливості.

Квантова телепортація

Цим терміном фізики позначають перенесення стану з одного квантового об'єкта на інший, що знаходиться на відстані. Це, звичайно, не фантастичне нуль-транспортування: в точці прийому повинен бути присутнім атом потрібного типу. Телепортація переведе його в стан, заданий у відправній точці.

Оскільки об'єкти мікросвіту - фотони, електрони, атоми - фундаментально ідентичні та розрізняються лише своїми станами, передача цього стану еквівалентна відтворенню в новому місці точно такого ж об'єкта, який був у вихідній точці. При цьому стан об'єкта, що відправляється, необоротно порушується. Таким чином,  телепортація - це власне перенесення, а не копіювання.

Вперше телепортацію фотона здійснили у 1997 році. З тих пір вдалося телепортувати квантовий стан окремого атома, а також здійснити телепортацію між об'єктами різної природи, наприклад, квантами світла та атомами.

Але досі всі подібні експерименти велися з окремими квантовими об'єктами. Тим часом для багатьох задач, зокрема для квантових обчислень, треба вміти телепортувати стан складних квантових систем, що знаходяться в так званому заплутаному стані.

Дослідження в цьому напрямку ведуться в низці наукових центрів, зокрема, в Женевському університеті, в Центрі квантової оптики Гарвардського університету, а також в копенгагенському Інституті Нільса Бора, де працюють над телепортацією ансамблів атомів цезію.

Такий ансамбль - це вже не просто частинка, а складноструктурований матеріальний об'єкт. Можливо, в новому році вдасться здійснити перший експеримент з квантової телепортації подібного об'єкта.

Квантові повторювачі

Сьогодні квантова криптографія вже стала прикладної технологією. Її застосовують банки та спецслужби, яким потрібний абсолютний захист каналів зв'язку від прослуховування.

Такого захисту досягають за рахунок використання пар заплутаних фотонів. Такі пари утворюють  єдину квантову систему, компоненти якої, рухаючись звичайним оптоволокном, можуть розійтися на значну відстань. Спроба перехоплення одного з цих фотонів руйнує стан квантової заплутаності, і абоненти розуміють, що їх комунікації прослуховуються.

Як правило, квантовий канал використовується не для передачі основної змістовної інформації, а лише для обміну ключами шифрування. Отже при виявленні прослуховування ключі компрометуються та не використовуються - витоку інформації не відбувається.

Вже існують фірми, які серійно випускають обладнання для квантової криптографії. Серед них, наприклад, швейцарська ID Quantique та американська MagiQ Technologies.

Однак дальність квантового зв'язку обмежена відстанями порядку 100 км. Далі сигнал просто затухає.

У звичайному оптоволоконному зв'язку сигнал періодично проходить через повторювачі, які його підсилюють. Однак квантовий сигнал звичайним повторювачем посилити неможна, оскільки при цьому зруйнується заплутаність фотонів, так само, як і під час прослуховування лінії. Це обмежує використання квантової криптографії: банки поки не можуть застосовувати її для зв'язку зі своїми заморськими філіями.

Вихід полягає у створенні спеціальних квантових повторювачів, які будуть приймати сигнал, не прослуховуючи його. Для цього квантовий стан фотона може переноситися, наприклад, на атом, здатний знаходитися в аналогічних квантових станах. Тоді вже цей атом стає заплутаним з другим фотоном пари.

Потім цей атом (точніше, його стан) телепортується наступному повторювачу, і так триває, поки він не досягне одержувача. Принциповим моментом є те, що ні на якому етапі не повинно здійснюватися «зчитування» квантового сигналу, а тому стан квантової заплутаності зберігається.

Поки що готової технології квантового повторювача ще немає. Але роботи в цьому напрямку активно ведуться в багатьох дослідницьких організаціях. Серед лідерів тут можна назвати Квантовий центр Каліфорнійського технологічного інституту. Можливо, діючий прототип квантового повторювача буде продемонстрований вже в новому році.

Розробка квантового повторювача радикально змінить ринкові позиції квантової криптографії. З технології, що може застосовуватись лише в мережах масштабу міста, вона перетвориться на фундамент глобальної інфраструктури інформаційної безпеки.

Квантові симулятори

Рух звичайних механічних об'єктів легко розрахувати крок за кроком: за силами визначають прискорення, за ними - зміни швидкості, за швидкостями - переміщення. Дізнаючись нові положення та швидкості, можна знову розрахувати сили і так далі. Такі розрахунки виконуються, наприклад, під час керування космічними апаратами.

Однак квантові частинки та їх системи рухаються не по одній траєкторії, а відразу по всіх можливих - в режимі так званої суперпозиції. Тому для розрахунку їх поведінки треба, грубо кажучи, розглядати всі можливі «альтернативні варіанти історії». Зрозуміло, що такі розрахунки неймовірно трудомісткі.

Найпотужніші суперкомп'ютери обраховують рух мільярдів зірок, що взаємно притягуються, але не здатні точно прорахувати взаємодію більш ніж пари десятків квантових частинок.

Для розуміння влаштування біологічних молекул, кристалів, атомних ядер та інших систем, які мають складну мікроскопічну структуру, потрібно враховувати рух великої кількості частинок, що зовсім недоступно звичайній цифровій техніці, оскільки зі збільшенням їх кількості обсяг обчислень наростає експоненційно.

Одне з можливих рішень полягає у створенні особливого типу квантового комп'ютера, де одні квантові системи, що підлягають дослідженню, будуть моделюватися за допомогою інших, більш вивчених та краще контрольованих квантових систем.

Подібні квантові симулятори можна вважати свого роду аналоговими комп'ютерами, в яких замість алгоритмічних операцій виконується фізичне моделювання системи, що досліджується.

В минулому, коли потужності цифрових комп'ютерів були ще невеликі, аналогові комп'ютери використовувалися, наприклад, в гідротехнічних розрахунках - потоки та напори води моделювалися електричним струмом та напругою.

У квантовому симуляторі спеціально підготовлена ​​модельна система природним чином перебирає «альтернативні можливості» в силу своєї квантової природи.

 У мюнхенському Інституті квантової оптики Товариства Макса Планка для симуляції використовуються атоми, підвішені в спеціальній світловий пастці. Електромагнітні коливання утримують атоми в комірках штучної «кристалічної» решітки, дозволяючи їм заплутуватися між собою та ізолюючи від зовнішніх збурень.

Поки що в таких квантових симуляторах вдається готувати та захищати від перешкод не більше пари десятків атомів, та класичні комп'ютери ще можуть скласти їм конкуренцію. Але симулятори вдосконалюються, та можна очікувати, що в новому році вони перевершать цифрові комп'ютери за можливостями моделювання.

Розвиток подібних систем відкриває можливість більш цілеспрямованого пошуку нових матеріалів, таких, наприклад, в яких забезпечуватиметься надпровідність при кімнатній температурі. Поява подібних матеріалів могла б радикально змінити стан справ в енергетиці та на транспорті.

Стрімкий прогрес в області квантових технологій в новому році активніше буде підтримуватись і з Росії. У грудні 2012 року фонд «Сколково» виділив великий грант (1,33 млрд. рублів) Російському квантовому центру (РКЦ).

Фактично це кошти на створення та оснащення нової науково-технологічної організації, якій належить вести дослідження у сфері квантової оптики, обробки квантової інформації та квантового конструювання.

Втім, ще до виділення гранту РКЦ вже включився в дослідження за всіма трьома описаними вище перспективними напрямками. Поки що роботи ведуться в партнерських лабораторіях спільно з іншими дослідницькими організаціями, але вже з березня почнуть вводитися в дію власні лабораторії.

Теги: квантовий комп'ютер, технології

Матеріали за темою:

Коментарі