Квантовые перспективы: настоящее и будущее технологий в России и мире. Квантовые технологии
Квантовые технологии будущего будут использовать идентичные запутанные частицы
Обычно, когда физики выполняют квантовое запутывание частиц — будь то кубиты, атомы, фотоны, электроны и т.п., — эти частицы можно различить. Совсем недавно физики продемонстрировали возможность создания запутанных частиц, которые полностью идентичны. Что примечательно, это запутанность существует именно из-за неразличимости частиц, без какого-либо взаимодействия между ними. Но теперь, в новой работе, физики сделали еще один шаг, показав, что запутанность одинаковых частиц можно использовать и потенциально применить для квантовых приложений
Розарио Ло Франко и Джузеппе Компаньо из Университета Палермо в Италии опубликовали работу о пользе запутанности идентичных частиц в Physical Review Letters.
Как объясняют физики, чтобы две независимо подготовленные, идентичные частицы были запутаны, они должны находиться в физической близости в пространстве — или, говоря техническим языком, волновые функции частиц должны хотя бы частично перекрываться в пространстве. Если пространственного наложения не будет, не будет и запутанности. Если же пространственное наложение будет и в области наложения будут проведены измерения, с определенной вероятностью будет условная запутанность. Запутанность будет наверняка только если волновые функции будут полностью перекрываться в пространстве.
Что самое важное в новом исследовании, так это то, что физики разработали процедуру прямого извлечения запутанности, которая возникает, когда волновые функции полностью перекрываются, с последующим использованием этой запутанности для различных приложений. Для этого они расширили концепцию ЛОКК (локальных операций и классической коммуникации), которая обычно используется для количественного определения запутанности между различимыми частицами, до неразличимых, идентичных частиц. Им потребовалось определение пространственных ЛОКК-операций (sLOCC), чтобы можно было выявить запутанность идентичных частиц и использовать их, например, для протокола телепортации.
«Наше исследование показывает, что основной механизм запутанности может быть реализован путем простого наложения независимых идентичных частиц и доступа к запутанности посредством операций sLOCC», говорит Ло Франко. «Этот операционный подход необходим для проведения экспериментов».
hi-news.ru
Наука: Наука и техника: Lenta.ru
МГУ имени М.В. Ломоносова в декабре прошлого года выиграл грант на государственную поддержку центров НТИ. Для выполнения проекта по сквозной технологии «Квантовые технологии» на физическом факультете МГУ был создан Центр квантовых технологий. Физический факультет университета считается лидером в технологиях квантовой оптики, в разработке электронной компонентной базы для квантовых компьютеров, защищенных систем квантовой связи и криптографии. Здесь при поддержке ФПИ и ряда министерств исследования ведутся с 1996 года.
К настоящему времени ученые физфака создали и испытали полностью автоматическую оптоволоконную систему квантового распределения ключей, которая продемонстрировала стабильную работу на оптоволоконных линиях ПАО «Ростелеком» на расстоянии 32 километров между Ногинском и Павловским Посадом. В основе таких криптографических систем лежит разработанный и созданный на физфаке первый в России экспериментальный образец квантового генератора случайных чисел. Датчик прошел тестирование в сертификационном центре и обеспечивает скорость генерации абсолютно случайных чисел до 100 мегабит в секунду.
Доктор физико-математических наук, профессор кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова Сергей Кулик
Фото: пресс-служба МГУ
«Наиболее наглядно отличие проявляется в квантовой криптографии — составной части квантовых коммуникаций, где речь идет о распределении секретных ключей между двумя и более абонентами, — говорит руководитель лаборатории квантовых оптических технологий Сергей Кулик. — Основное отличие — в фундаментальных свойствах квантовых состояний, таких свойств нет у классических состояний, а именно: не зная наперед состояние квантового объекта, его невозможно измерить, при этом не исказив. Более того, чем больше мы узнаем в результате измерения о свойствах квантового объекта, тем более мы его искажаем. Для передачи информации это проявляется в том, что злоумышленник, пытаясь прочитать передаваемую информацию, неизбежно вызовет ее искажение — тем сильнее, чем больше он узнал. Протоколы квантовой криптографии устроены так, что действие нелигитимной стороны будет обнаружено, и сеанс связи будет прекращен. Более того, если воздействие на передаваемую информацию будет не очень сильным (количественно величина искажений определяется внутренними свойствами используемого протокола), законные участники все равно смогут обменяться ключами, а злоумышленник о них ничего не будет знать».
В университете совместно с компанией ОАО «ИнфоТеКС» ведутся работы над высокопроизводительным шифратором, позволяющим в автоматическом режиме кодировать информацию со скоростью до 10 гигабит в секунду. Квантовый канал распределения криптографических ключей при этом обновляется несколько раз в секунду. В рамках программы развития МГУ имени М.В. Ломоносова создается университетская квантовая сеть. Уже действует «квантовый телефон», обеспечивающий прямой квантовый канал обмена информацией между кабинетом ректора и кабинетом декана физического факультета.
«Внешне это устройство ничем не отличается от привычной телефонной трубки или любого другого терминала связи. Однако при обмене информацией между обладателями такого устройства — это может быть речь, текстовые сообщения, обмен файлами и прочее, — шифрование и расшифрование происходит на квантовых ключах, которые постоянно меняются. Тем самым обеспечивается повышенная защищенность передаваемой информации», — объясняет Кулик.
Фото: пресс-служба МГУ
В области квантовых вычислений в университете активно ведутся исследования нейтральных атомов в ловушках и фотонных чипов — основных кандидатов для создания квантовых вычислительных устройств. Уже разработана и создана экспериментальная установка, позволяющая захватывать одиночные атомы рубидия в микродипольные ловушки. Преимуществом такой технологии считается возможность создавать упорядоченные решетки из одиночных атомов с произвольной структурой и контролируемым взаимодействием. Разработанная на физфаке технология создания сложных трехмерных массивов интегрально-оптических волноводных структур позволяет непосредственно реализовать квантовые алгоритмы. Именно в МГУ имени М.В. Ломоносова разработана технология создания программируемых фотонных чипов, которая позволяет масштабировать линейно оптические цепи и динамически исправлять ошибки методами адаптивной томографии. Этот результат считается прорывным.
«В научном аспекте нам необходимо решить много задач, связанных с управлением квантовыми состояниями для построения квантовых вычислительных устройств. Прежде всего, как с хорошим качеством обеспечить парные взаимодействия квантовых состояний, например, для холодных атомов. Если говорить о преподавательской деятельности, мы хотели бы сформировать несколько программ обучения по специальностям квантовой обработки информации, а также построить хороший практикум, в котором студенты смогли бы непосредственно или дистанционно исследовать наиболее яркие эффекты в этой области. Например, управление состоянием одиночных атомов, приготовление перепутанных состояний фотонов и многие другие, — делится планами Кулик. — В организационном плане очень бы хотелось правильно построить инфраструктуру нашего Центра квантовых технологий, который недавно был создан в МГУ имени М.В. Ломоносова на базе физического факультета. Здесь будет сконцентрирована и научная, и образовательная, и правовая деятельность в области квантовых технологий в России, включая координацию работ, проводимых в различных организациях — членах нашего консорциума. Таких организаций насчитывается более десятка, и в ближайшее время в консорциум вступят еще около десяти новых команд».
Фото: пресс-служба МГУ
Сейчас в университете действуют четыре крупные научные школы, обеспечивающие получение фундаментальных и прикладных результатов в квантовых технологиях. Все они занимают лидирующие позиции в мире. Исследования в области квантовой оптики, начало которым положил профессор физфака Давид Клышко, посвящены технологии генерации, преобразования и измерения N-фотонного света, абсолютной квантовой фотометрии, квантовой интерферометрии и спектроскопии. В университете расположена школа Владимира Брагинского по технологиям квантовых измерений. Усилиями ученых разработаны принципы прецизионных квантовых измерений, предсказано существование стандартного квантового предела, предложены и обоснованы принципы квантовых невозмущающих измерений, разработаны некоторые ключевые элементы в детекторах гравитационных волн.
Школа Леонида Келдыша занимается исследованиями по взаимодействию излучения с веществом. Неупругая туннельная спектроскопия, взаимодействия мощного лазерного излучения с атомами, молекулами и твердыми телами, кинетика сильно неравновесных квантовых систем — только несколько направлений, развиваемых этой школой. Школа по квантовой оптоэлектронике, созданная Константином Лихаревым, занимается ортодоксальной теорией коррелированного туннелирования, а также разработкой и созданием оригинальных одноэлектронных устройств и систем (наноразмерных зарядовых сенсоров с субэлектронной чувствительностью, элементов памяти и логических элементов вычислительных систем, прототипов стандарта тока).
lenta.ru
Новые квантовые технологии: зачем в Сколтехе создали поляритонный вычислитель. Фото | Технологии
Экспоненциальная сложность
Что такое экспоненциальная сложность объясню на примере сказки. По легенде, древнеиндийский изобретатель шахмат так поразил Правителя страны своим изобретением, что мог сам назначить себе награду. Он попросил у Повелителя за первую клетку шахматной доски заплатить ему одно зерно пшеницы, за второе — два, за третье — четыре и т. д., удваивая количество зерен на каждой следующей клетке. Правитель легко согласился, удивившись на показавшийся ему этот очень скромный запрос. К его великому изумлению оказалось, что расплатиться невозможно, поскольку количество зерна на шахматной доске превышает весь урожай пшеницы, собранный за всю историю человечества. На всей доске будет 264-1 или 18 446 744 073 709 551 615 зерен, при весе каждого зерна 0,065 грамма их общая масса составит около 1,2 трлн тонн. Эта красивая легенда как нельзя лучше демонстрирует высокую скорость роста экспоненциальных функций.
В реальной жизни задачи другие, но не менее сложные. Теория вычислительной сложности (complexity theory) дает неутешительный ответ: подавляющее большинство задач, с которыми сталкивается человечество, быстро станет недоступным даже для самых мощных суперкомпьютеров. (Оговоримся, что строгое доказательство этого тезиса считается одной из шести великих задач математики, за которое Математический институт Клея наградит миллионом долларов).
Математики добавили к такому пессимистическому выводу элемент надежды. Они выделили подкласс задач под названием NP-полных задач. Если научиться эффективно решать одну из них, то можно так же быстро решить любую другую из очень широкого круга проблем класса NP.
Список NP-полных задач уже содержит более 3000 задач, и, если кто-то найдет алгоритм решения одной из этих задач с ростом операций медленнее экспоненциального (как степенная функция), это приведет к «последствиям невообразимой значимости», по словам австрийского логика Курта Гёделя из его знаменитого письма 1956 года Джону фон Нейману, создателю архитектуры большинства современных компьютеров. Если бы такой алгоритм или метод был найден, это бы позволило найти кратчайшую логическую цепочку в любых данных и любых процессах. По словам Скота Ааронсона, директора Квантового Информационного Института в Техасе, человек смог бы тогда предсказать поведение финансовых рынков, повернуть вспять эволюцию и написать 38-ю пьесу Шекспира, т. е. получить практически божественную власть.
И наоборот, предположение, что NP-полные задачи не могут избежать экспоненциально растущего количества операций, это предположение, что божественные силы никогда не будут в руках человека!
Зачем нужны квантовые компьютеры
Но как же квантовые компьютеры? Кажется, что использование квантовой запутанности позволяет преодолеть проклятие экспоненциального роста, исследуя большое количество возможных решений одновременно. К сожалению, в момент измерения состояния компьютера мы видим только одно возможное решение с некой вероятностью. И искусство написания квантового алгоритма состоит в том, чтобы организовать вычисления таким образом, чтобы вероятность именно нужного нам решения была велика. Что и удалось сделать для задачи факторизации чисел.
Для NP-полных задач квантовые компьютеры тоже предлагают сокращение количества операций, но чрезвычайно скромное: если для классического компьютера потребуется 2n операций для перебора различных вариантов, квантовому компьютеру будет достаточно 2n/2, рост по прежнему экспоненциальный. Например, задачу, которую классический компьютер будет решать миллион лет, квантовый решит за какие-то десятки тысяч лет.
Пока квантовые компьютеры еще находятся в стадии исследования. У них уже появились конкуренты — квантовые вычислители. Они не столь универсальны, каждый вычислитель решает только конкретную NP-полную задачу. Квантовые вычислители обычно используют физические принципы, отличные от параллелизма квантового компьютера. Например, первый и пока единственный коммерчески доступный квантовый вычислитель канадской компании D-wave использует принцип квантового отжига: для нахождения оптимального решения сложной проблемы сначала берется простая задача, для которой оптимальное решение известно. Система сверхпроводящих элементов (на основе которых работает D-wave) настраивается на это решение. После этого простая задача медленно приближается к заданной, а система сверхпроводящих элементов остается в состоянии, отвечающем оптимальному решению уже новой задачи благодаря чудесному свойству квантового туннелирования. Где же прячется проклятие экспоненциального роста в этом случае? Скорее всего, в слове «медленно»! С ростом системы (количества параметров и переменных) приближать простую задачу к заданной придется экспоненциально медленно.
Практический подход
В наших исследованиях в Сколтехе (проведены совместно с лабораторией профессора Павлоса Лагудакиса) мы предложили новую концепцию квантового вычислителя, основанную на новой системе и новом механизме для решения сложных оптимизационных задач, в том числе NP-полных задач. Теоретическое обоснование и экспериментальная демонстрация такого симулятора была опубликована в журнале Nature Materials 25 сентября 2017 года. Основой — битом — такого симулятора служит поляритон, гибридная частица, состоящая из света и вещества. Такие частицы не являются «фундаментальными» или «естественными», такими как атомы или электроны, но создаются внутри полупроводников, встроенных в наноструктуры изысканной точности. Используя тонкие слои атомов галлия, мышьяка, индия и алюминия, мы можем контролировать движение электронов и их взаимодействие со светом.
В наших устройствах электроны, расположенные на таких тонких атомных слоях, поглощают и излучают свет определенного цвета. Вокруг этих «квантовых ям» мы выращиваем чрезвычайно блестящие зеркала, которые эффективно захватывают свет между ними, но только определенного цвета, с длиной волны, установленной зазором микронного размера между зеркалами. Это позволяет свету отражаться и возвращаться в квантовую яму с той же фазой и возбуждать электроны при каждом возврате в одно и то же состояние. Таким образом, энергия непрерывно колеблется между светом и веществом. Эта когерентная смесь электронов и фотонов и образует поляритон, частицу с совершенно новыми свойствами, которые мы можем контролировать, варьируя дизайн эксперимента.
Фотонная составляющая поляритонов делает их в тысячи раз легче электронов и в миллиарды раз легче обычных атомов и позволяет достигать достаточных плотностей, чтобы образовать поляритонный конденсат Бозе-Эйнштейна. В таком состоянии квантовая фаза поляритонов синхронизируется, создавая единый макроскопический квантовый объект, который излучает яркий когерентный свет.
Во время конденсации поляритоны сами принимают наиболее выгодную конфигурацию, тем самым находя оптимальное решение известной задачи статистической физики — XY-модели, которая принадлежит к классу NP-полных задач, а значит, потенциально решая любую задачу класса NP! При этом время конденсации практически не зависит от количества элементов — поляритонов — в системе. Это дает надежду, что, начиная с определенного размера задачи, наш поляритонный симулятор опередит классические вычисления! Учитывая особенности работы со светом и потенциальные возможности системы, в пресс-релизе Кембриджского университета о нашей системе использовали забавную метафору этого процесса — «свечение волшебной пыли».
Но как же проклятие экспоненциального роста NP-полных задач и предположение о невозможности его преодоления? Пока мы не знаем ответа на этот вопрос... Сейчас наша система работает на сотне элементов. Нужно изучить поведение системы при увеличении числа элементов. Даже если не удастся полностью преодолеть экспоненциальный рост, то вполне реально во много раз уменьшить время нахождения оптимального решения по сравнению с классическим компьютером. Поляритонные симуляторы дают нам именно такую надежду!
www.forbes.ru
Квантовые технологии появятся на британских улицах уже через два года
Вы слышали о квантовой механике, а теперь пора знакомиться с квантовыми инженерами. Спустя десятки лет пребывания в лаборатории, квантовая наука постепенно превращается в технологию, которая будет влиять на вашу повседневную жизнь. Если этим амбициозным планам суждено сбыться, к 2020 году в Великобритании может появиться самый мощный квантовый компьютер в мире, безопасная квантовая сеть на всю страну и многочисленные квантовые отрасли.
Эта миссия стартовала в 2013 году, когда канцлер Великобритании Джордж Осорн объявил об инвестиции 270 миллионов фунтов стерлингов в квантовые технологии. В настоящее время ученые собираются в центрах, сосредоточенных на конкретных областях — вычислениях, коммуникациях, датчиках и средствах визуализации, — с целью создать полезные квантовые устройства за пять лет, начиная с 2015 года.
В прошлом месяце команды этих ученых провели свою первую ежегодную встречу Quantum IK в Оксфордском университете, чтобы обсудить свою пятилетнюю дорожную карту и потенциальные препятствия, которые нужно будет преодолевать — не в последнюю очередь и устоявшееся мнение о том, что квантовые технологии слишком странные, чтобы быть полезными.
«Когда вы говорите с широкой общественностью о квантовой физике, первое, о чем она думает, это что-то жуткое из области философии, — рассказал на встрече Питер Найт из Имперского колледжа в Лондоне. Это нужно изменить. — Наше основное послание такое: теперь это развивающаяся технология».
Ян Волмсли, глава центра квантовых вычислений в Оксфорде, говорит, что фундаментальная наука продвинулась достаточно далеко, чтобы воплотить эту мечту в реальность. «В настоящее время необходим инженерный толчок, который выведет на следующий уровень».
В отличие от обычного компьютера, который работает с бинарными битами, «кубиты» квантового компьютера могут быть 0 и 1 одновременно. Эта функция предлагает возможности для массивных повышений скорости работы, когда дело доходит до определенных проблем вроде поиска по базам данных или машинного обучения. Но если бинарные биты основаны на надежных кремниевых транзисторах, к единому мнению относительно создания квантовых машин пока не пришли.
Волмсли и его коллеги работают над системой на базе захваченных ионов, отдельных заряженных атомах, которые удерживаются на месте электромагнитными полями и облучаются лазерами, считывающими и записывающими на них информацию. Называется она Q20:20, поскольку за два года ученые планируют создать 20-кубитное устройство, выходящее за пределы возможностей современных квантовых компьютеров. К концу 5-летней программы инженеры надеются связать 20 таких систем в 400-кубитный процессор. «Этого достаточно, чтобы выполнять ряд задач, на которые сегодня способны только суперкомпьютеры», — говорит Волмсли.
Сеть кубитов
Такая модульная конструкция использует достижения недавнего прогресса в управлении захваченными ионными кубитами в лаборатории, которые показали, что можно успешно управлять их хрупким квантовым состоянием в мельчайших масштабах. Теперь оксфордская группа и другие разработали способ объединить эти ячейки кубитов в сеть более крупных процессоров. Это означает выход некогда лабораторных экспериментов в область точного квантового оборудования.
«То, что доступно в лаборатории, уже обладает нужной производительностью, — говорит Волмсли. — Если мы сможем показать, что одна из этих маломасштабных вещей работает, не будет никаких препятствий расширить масштаб, останется лишь изготовить больше компонентов».
Поскольку этот компьютер проектируется как сеть, ячейки кубитов потенциально можно разбросать по всей стране, создав своего рода квантовое компьютерное облако, к которому будут иметь доступ много людей — хотя исходный Q20:20 будет, вероятно, привязан к одной лаборатории, говорит Волмсли.
Однако англичанам не придется ждать до 2020 года, поскольку в Великобритании уже строится квантовая сеть другого типа, которая будет доступна общественности уже через пару лет. Тим Шпиллер, возглавляющий центр квантовых коммуникаций в Университете Йорка, строит сети квантового распределения ключей (QKD) на основе оптоволокна в Бристоле и Кембридже, с целью связать два университета через Лондон к концу пятилетки.
QKD включает приведение фотонов к определенным квантовым состояниям для генерации и передачи криптографически безопасного ключа, который можно использовать для шифрования данных, передаваемых по неквантовому каналу. В отличие от существующей криптографии, которая полагается на сложные математические схемы и может быть взломана с использованием достаточно мощных компьютеров, QKD отталкивается от законов физики: любая попытка перехватить ключ поднимет тревогу.
Подобные сети уже имеют место в США и Китае, используются крупным бизнесом и правительством, но сети Великобритании будут доступны для стартапов и даже просто для энтузиастов. «Идея в том, что когда все будет готово, можно будет открыть ее для использования людьми, — говорит Шпиллер. — В Бристоле акцент делается на потребителей, которые открыты для новых технологий», — говорит он, тогда как в Кембридже сеть будут использовать небольшие высокотехнологичные предприятия.
Текущим методам шифрования пока особо ничего не угрожает, но Шпиллер подчеркивает, что QKD со временем сможет обеспечить исключительную безопасность. «Существуют определенные виды данных, работая с которыми, люди озабочены долгосрочной угрозой перехвата и взлома в будущем, — говорит он. — Если вы храните чьи-то медицинские записи или банковские детали, вам не захочется, чтобы их увели через определенное время».
Квантовые ключи одноразовые по своей сути, поэтому нужно обзавестись их стабильной поставкой. Джон Рэрити из Бристольского университета и его коллеги работают над устройством размером с кредитную карту, которое позволит людям получить партию ключей в местах сети вроде банкоматов и использовать их в дальнейшем для входа в различные сервисы. «Пользователи могут получать доступ к хранилищу ключей и делиться ими с надежным источником вроде банка или оператора мобильной связи», говорит Рэрити. Не придется запоминать пароли или PIN-коды — QKD все сделает за вас.
В других британских центрах разрабатываются квантовые устройства вроде камеры, способные видеть невидимые газы, или сверхчувствительные гравитационные детекторы, которые могут искать подземные трубы; возможно, эти технологии будут слабо распространены среди людей, но найдут широкое применение в других сферах. Цель — сделать Великобританию лидером в сфере квантовых технологий.
Другие страны тоже вкладывают деньги в квантовую инженерию. Это не уникально для Великобритании, говорит Рональд Хэнсон из Технологического университета Делфта в Нидерландах. В июле правительство Нидерландов пообещало выделить 135 миллионов евро на разработку квантовых технологий в течение 10 лет, а в прошлом месяце Intel анонсировала 50-миллионное сотрудничество с Делфтом с целью исследования того, как квантовые процессоры могут дополнить следующее поколение высокотехнологичных традиционных компьютеров.
«Переход квантовых технологий из лаборатории на рынок удивительно наблюдать, учитывая то, что мы думали об их применениях с 1980-х годов, — говорит Рэрити. — И только сейчас он действительно начинает окупаться».
hi-news.ru
настоящее и будущее технологий в России и мире
На конференцию «МЕТАНАНО-2016», которая проходит в Анапе с 5 по 9 сентября, приехали ученые, которые проводят исследования в самых перспективных научных отраслях. Квантовые коммуникации и все, что с ними связано, — самый последний тренд, который уже находит технологическое применение и финансируется из крупнейших источников. Например, Еврокомиссия планирует выделить на квантовые технологии миллиард евро. Приглашенный ученый «МЕТАНАНО» Алексей Рубцов возглавляет исследовательскую группу в Российском квантовом центре, одновременно занимает позицию профессора в МГУ и главного научного сотрудника во ВНИИА. Он рассказал для нашего портала о своей научной работе, развитии квантовых технологий в России и практическом применении квантовых технологий.
Квантовые технологии. Источник: http://polit.ru/
Исследования
Я теоретик. Занимаюсь исследованием, широко говоря, квантовых многочастичных систем и явлений. Что такое «квантовый» объяснять, как ни странно, особо не нужно в отличие от понятия «многочастичные системы», которое не подразумевает исключительно множество частиц. Важнее — взаимодействие между ними, которое порождает различные коллективные эффекты в таких системах, и описывать их очень сложно.
Применение квантовых технологий
Мои исследования долгие годы связаны с квантовым моделированием материалов, предсказыванием их свойств. Такие исследования необходимы при разработке лекарств, новых технологий энергонакопления и энергосбережения, при катализе, при составлении «формул» новых сплавов, — это очень большая наука. Во-вторых, сейчас активно развиваются квантовые информационные технологии. В устройствах, которые их используют, носителями информации являются так называемые кубиты, простейшие квантовые системы, которые имеют два состояния и могут находиться долгое время в суперпозиции этих состояний. И вопрос в том, как себя ведут такие системы в различных условиях.
Университет ИТМО. Алексей РубцовКвантовые технологии для каждого
Квантовые технологии приходят в быт. Самый простой пример, основанный на квантовой механике, — это флеш-накопитель. В твердотельных запоминающих устройствах биты информации хранятся в виде заряда, который имплантирован в толщу оксида кремния, изолятора. Чтобы перезаписать информацию, надо сначала стереть старую. Чтобы удалить заряд из толщи оксида, используется квантовый туннельный эффект: электроны при приложении электрического поля начинают оттуда уходить. Это то приложение квантовых технологий, которые уже есть у каждого. Что дальше будет? Если говорить об индустрии, то сейчас квантовые технологии также внедряются: это квантовые линии связи, которые постепенно появляются, хоть и в экспериментальном виде; это метрология, то есть новые стандарты частоты, основанные на изолированных холодных атомах.
Применение в медицине
Все новые лекарства, которые сейчас синтезируются, разрабатывают сначала с помощью компьютерного моделирования. В ходе процесса моделирования определяют, как те или иные молекулы будут себя вести. Ведь лекарство должно состояться из элемента «доставки», то есть биохимического соединения, который доставит лекарство к нужному органу, и действующего элемента, который запустит определенные химические реакции в организме. С помощью моделирования ученые сначала понимают, что хотелось бы синтезировать, и потом уже химики-синтетики делают определенные вещества. Естественно, предсказания в квантовом моделировании не на 100% верны, но они неизмеримо ускоряют и удешевляют процесс разработки новых лекарств.
Методика работы в квантовом центре
Российский квантовый центр делался по международным стандартам. В нем сотрудники занимаются двумя направлениями работы. Первое — это фундаментальные научные исследования. Второе связано с развитием прикладных аспектов квантовых технологий и внедрением разработок в реальную жизнь. У нас в какой-то степени реализуется американская модель spin-off, когда молодые сотрудники создают фирмы на базе университетов для коммерциализации научных разработок. В российских вузах сейчас также популярна такая методика работы.
Квантовые коммуникации в Университете ИТМОКадры для исследований квантовых технологий
Людей отчаянно не хватает — мы потеряли много компетенций. Проблема в том, что по-прежнему происходит сильная утечка мозгов. Этот вопрос не вполне решается деньгами. Талантливые молодые ученые хотят поработать в признанных в мире научных центрах. Мы, конечно, также стараемся реализовывать какие-то свои преимущества. Должен сказать, что в каком-то смысле «утечка мозгов» естественна, но вопрос в ее масштабах. Важно, чтобы был еще встречный «ручеек» к нам, в Россию. Он есть, но таких людей немного: у меня в группе работает молодой ученый из Австрии, приехавший на несколько лет, ранее работал сотрудник из Португалии.
Международное сотрудничество
Те компетенции, которых не хватает, сейчас можно и нужно компенсировать с помощью международного сотрудничества, в частности, с помощью русскоязычного сообщества ученых, которые работают за рубежом в ведущих научных центрах. Их концентрация там очень высока. Это те люди, которые не откажутся помочь при правильном подходе. Глупо ожидать, что состоявшийся в Германии профессор приедет работать в Россию, если ему предложить больше денег. А вот попросить его прочитать курс лекций, поучаствовать в конференции — это оптимально.
news.ifmo.ru
Технологии будущего: квантовые компьютеры
Согласно определению из Википедии квантовый компьютер представляет собой вычислительное устройство, использующее явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки данных. Звучит запутанно и непонятно? Попробуем разобраться, что к чему.
Идея квантовых вычислений была предложена Юрием Маниным в 1980 году, а за последующие несколько лет Ричард Фейнман, Пауль Бениофф и Стивен Визнер создали первые теоретические основы построения квантового компьютера. В отличие от классических компьютеров, в квантовой вычислительной машине используются алгоритмы, основанные на эффектах из области квантовой механики.
Наименьшим элементом хранения информации для квантовых компьютеров является кубит (q-бит, кьюбит; от quantum bit), он же квантовый разряд. Аналогично обычным битам, у кубита может быть два основных состояния обозначаемых 0 и 1. Однако в отличие от классических битов, кубиты могут находиться в состоянии суперпозиции. Причем степень подобного «перекрытия» состояний кубита может быть различной. Физически кубиты могут быть реализованы на атомах, ионах, фотонах и т.д.
При любом изменении кубита он меняет свое состояние случайным образом, а за счет наличия связи между кубитами параллельно свое состояние меняют и связанные кубиты. Набор связанных кубитов принято называть квантовым регистром, который за счет возможного множества комбинаций (суперпозиций) входящих в него кубитов значительно информативнее классического битового регистра. Непосредственно наблюдать за состоянием кубита или квантового регистра нельзя. В тоже время кубиты могут обмениваться своим состоянием и преобразовывать его, что собственно и позволяет создать компьютер, реализующий параллельные вычисления на физическом уровне.
Упрощенно схему вычислений на квантовом компьютере можно представить следующим образом. В некую систему кубитов записывается исходное состояние, а затем над ней совершаются унитарные преобразования, выполняющие функцию нужных нам логических операций. Таким образом, в квантовых алгоритмах и описывается последовательность унитарных операций (также называемых гейтами или вентилями) с указанием, над какими именно кубитами их надо совершать. Результатом работы квантового алгоритма является итоговое состояние системы кубитов.
Результат работы квантового компьютера будет носить вероятностный характер. Однако увеличивая количество унитарных операций вероятность получения правильного результата можно приблизить к единице. В теории квантовые компьютеры быстрее классических в экспоненциальное число раз (алгоритм факторизации Шора), но при использовании алгоритма Гровера наблюдается лишь квадратичный прирост производительности. Существуют и другие квантовые алгоритмы, нацеленные на решение разнообразных задач.
Но, независимо от реализуемого алгоритма, использование технологий квантовых вычислений позволяет эффективно решать задачи, требующие серьезной вычислительной мощности. Например, квантовому компьютеру может оказаться под силу расшифровать сообщения, защищенные асимметричным криптографическим алгоритмом RSA. Другим возможным применением квантовых компьютеров могут стать задачи моделирования физических процессов или обработка очень больших объемов данных.
Нельзя не упомянуть и существование квантовой теории игр, являющейся адаптацией классической теории игр. Напомню, теория игр это математический метод изучения оптимальных стратегий в играх, где под игрой понимается процесс, в котором участвуют две и более сторон, ведущих борьбу за реализацию своих интересов. У каждой из сторон есть своя цель, для достижения которой реализуется определенная стратегия, которая может вести к выигрышу или проигрышу, в зависимости от поведения других игроков. При этом теория игр помогает выбрать лучшие стратегии с учётом представлений о других участниках, их ресурсах и их возможных поступках.
В квантовой теории игр классический бит (т.е. выбор одного из двух вариантов, например, да или нет) заменяется кубитом, который является квантовой суперпозицией базовых состояний. С учетом связанности кубитов любая операция, производимая над одним из них, может повлиять и на другие. Таким образом, развязка игры может оказаться весьма неожиданной.
Впрочем, у квантовых компьютеров есть и системные недоставки, даже если не брать в расчет сложность физической реализации. Во-первых, как уже упоминалось, результат квантовых вычислений носит вероятностный характер. Во-вторых, внешние воздействия, например магнитные поля, могут разрушить квантовую систему или внести в неё искажения. Не стоит забывать и о сложностях считывания состояния квантовых регистров. Однако все эти сложности не пугают не только ученых, но коммерческие компании, все активнее интересующиеся темой квантовых компьютеров.
Конечно, реализация полноценного квантового компьютера считается одной из фундаментальных задач физики XXI века, но определенные позитивные сдвиги в этом вопросе уже есть. В 1998 году ученые из Массачусетского технологического института смогли разделить один кубит между тремя ядерными спинами в каждой молекуле жидкого аланина или молекулы трихлороэтилена (напомню, в квантовых компьютерах носителями информации могут быть атомы, ионы, фотоны или электроны). В марте 2000 года ученые из Национальной лаборатории в Лос Аламосе объявили об успешном создании квантового компьютера с 7 кубитами. Годом позже, в 2001, специалисты IBM продемонстрировали вычисление алгоритма Шора на 7-кубитном компьютере.
В 2005 году группой исследователей из Московской лаборатории сверхпроводимости под руководством Ю. Пашкина при помощи японских специалистов был построен 2-кубитный квантовый компьютер на сверхпроводящих элементах. Запомнился 2005 год и другим достижением – ученым из института квантовой оптики и квантовой информации при Иннсбрукском университете удалось создать кубайт (регистр из 8 кубитов). В ноябре 2009 года физикам из Национального института стандартов и технологий в США удалось создать 2-кубитный программируемый квантовый компьютер.
Кстати, предложенное Пашиным использование сверхпроводимости для квантовых компьютеров оказалось весьма перспективным. В феврале 2012 году специалисты компании IBM заявили о серьезном прорыве в деле создания кубитов на сверхпроводящих элементах. Рабочая температура подобных квантовых компьютеров составляет десятки микрокельвин. Соответственно, ему нужна крайне эффективная система охлаждения, работающая на специальной смеси изотопов гелия-3 и гелия-4. Впрочем, технологически получение столь низких температур отлично проработано уже сейчас.
В апреле 2012 группе исследователей из Южно-Калифорнийского университета, Технологического университета Дельфта, университета штата Айова и Калифорнийского университета Санта-Барбара, удалось построить двухкубитный квантовый компьютер на кристалле алмаза (с примесями), который может работать при комнатной температуре и теоретически является масштабируемым.
Отдельно внимания заслуживает компания D-Wave Systems, которая в 2007 году продемонстрировала 16-кубитный компьютер Orion, а в ноябре того же года – 28-кубитный компьютер. В мае 2011 года ей же был показан 128-кубитный компьютер D-Wave One, а конце 2012 года – компьютер на 512 кубитов. При этом D-Wave One является коммерчески доступным продуктом, его цена составляет 11 миллионов долларов. Впрочем, даже если не обращать внимания на высокую цену, сфера применения компьютеров D-Wave пока достаточно ограничена, в основном речь идет о задачах дискретной оптимизации.
Схема соединений между кубитами компьютеров D-WaveПричем многие исследователи не считают компьютеры D-Wave подлинными квантовыми вычислительными машинами, заявляя об излишне скромном приросте производительности относительно классических систем и сомневаются в наличии в компьютерах D-Wave запутанности кубитов, что является одним из фундаментальных принципов построения квантовых компьютеров. Впрочем, в январе 2014 года ученые D-Wave опубликовали статью, доказывающую наличие в компьютерах D-Wave квантовой когерентности и запутанности между отдельными подгруппами кубитов (размером 2 и 8 элементов) в процессоре во время проведения вычислений.
Квантовый компьютер D-WaveКонечно, спорить об истинности квантовой сущности компьютеров D-Wave можно сколько угодно, но нельзя не признать, что интерес к квантовым компьютерам есть как у ученых по всему миру, так и крупных корпораций. В том числе, и у Google (команда проекта Google Quantum AI), собирающийся при помощи квантовых компьютеров решить задачи, которые невозможно или нецелесообразно решать при помощи классических вычислительных устройств. Сейчас эта сфера активно развивается (в том числе и в нашей стране), хотя пока и не имеет практического применения. Но через эту стадию прошли многие технологии, ставшие неотъемлемой частью нашей жизни. Тем более что ученые смотрят в будущее с большим оптимизмом.
comments powered by HyperCommentsthatsmart.ru
Квантовая технология - это... Что такое Квантовая технология?
Квантовая технология - область физики и разработки, в которой используются специфические особенности квантовой механики, прежде всего квантовая запутанность. Цель квантовой технологии состоит в том, чтобы создать полезные устройства, основанные на квантовых принципах, к которым обычно относят следующие:
- Дискретность (квантованность) уровней энергии (квантово-размерный эффект, квантовый эффект Холла)
- Принцип неопределённости Гейзенберга
- Квантовая суперпозиция чистых состояний систем
- Квантовое туннелирование через потенциальные барьеры
- Квантовую сцепленность состояний
К возможным практическим реализациям относят квантовые вычисления и квантовый компьютер, квантовую криптографию, квантовую телепортацию, квантовую метрологию, квантовые сенсоры, и квантовые изображения.
Литература
- Deutsch D., Physics, Philosophy, and Quantum Technology, in the Proceedings of the Sixth International Conference on Quantum Communication, Measurement and Computing, Shapiro, J.H. and Hirota, O., Eds. (Rinton Press, Princeton, NJ. 2003)
См. также
- Квантовая нанонаука
Ссылки
Категория:- Квантовая физика
Wikimedia Foundation. 2010.
- Теория Янга
- Квантовая томография
Смотреть что такое "Квантовая технология" в других словарях:
Квантовая нанотехнология — Квантовая нанотехнология область исследований нанотехнологий, основанных на квантовой теории. В квантовых нанотехнологиях основное внимание уделяется использованию квантовым феноменам в наноматериалах и наносистемах. При этом квантовая… … Википедия
Квантовая криптография — Квантовая криптография метод защиты коммуникаций, основанный на принципах квантовой физики. В отличие от традиционной криптографии, которая использует математические методы, чтобы обеспечить секретность информации, квантовая криптография… … Википедия
Квантовая медицина — Квантовая медицина направление в медицине, использующее электромагнитное излучение низкой интенсивности для лечения, диагностики и профилактики заболеваний (Словарь современного английского языка, Оксфорд,2006). Квантовая медицина охватывает все … Википедия
КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА — область физики, изучающая методы усиления и генерации эл. магн. колебаний и волн, основанные на использовании вынужденного излучения, а также св ва квант. усилителей и генераторов и их применения. Практич. интерес к оптич. квант. генераторам… … Физическая энциклопедия
квантовая электроника — область физики, занимающаяся изучением и разработкой методов и средств усиления и генерации электромагнитных колебаний на основе эффекта вынужденного излучения атомов, молекул и твёрдых тел. К квантовой электронике относятся все квантовые… … Энциклопедия техники
Принц-технология — Принц технология метод формирования трёхмерных микро и наноструктур, основанный на отделении напряжённых полупроводниковых плёнок от подложки и последующего сворачивания их в пространственный объект. Технология названа в честь учёного… … Википедия
Список новых перспективных технологий — содержит некоторые из самых выдающихся текущих событий, достижений и инноваций в различных областях современной технологии. Новые технологии это те технические нововведения, которые представляют прогрессивные изменения в рамках области… … Википедия
Квантовый робот — Квантовый робот гипотетическое квантовое устройство, представляющее собой подвижную квантовую наносистему со встроенным квантовым компьютером и системами взаимодействия с окружающей средой[1]. Первую модель квантового робота предложил Поль… … Википедия
Квантовое распределение ключа — Квантовая криптография метод защиты коммуникаций, основанный на определенных явлениях квантовой физики. В отличие от традиционной криптографии, которая использует математические методы, чтобы обеспечить секретность информации, квантовая… … Википедия
СССР. Естественные науки — Математика Научные исследования в области математики начали проводиться в России с 18 в., когда членами Петербургской АН стали Л. Эйлер, Д. Бернулли и другие западноевропейские учёные. По замыслу Петра I академики иностранцы… … Большая советская энциклопедия
veter.academic.ru
