Квантовые эффекты приходят в макромир
Время на прочтение
Новые эксперименты раскрывают возможности крупномасштабных квантовых устройств
Исследователи впервые продемонстрировали квантовую запутанность в механических системах. Концепцию одного из таких экспериментов художник изображает, как световое поле интерферометра, «переносящего» запутанное состояние. Фото предоставлено: Институт нанонауки им. Кавли, Делфтский технологический университет / Мориц Форш.
Запутанность — противоречивая идея состоящая в том, что частицы могут быть связанными независимо от расстояния между ними. Это явление остается одним из самых странных и наименее понятных следствий квантовой механики. Если измерить квантовое свойство одной из пары запутанных частиц, то свойство другой мгновенно изменится.
Такие странные явления обычно возникают на субатомном уровне. Но недавно физики продемонстрировали запутанность и другие квантовые эффекты в крайних формах, наблюдая их в больших системах, включая облака атомов, квантовые барабаны, проводники и кремниевые чипы. Устройство за устройством они переносят квантовый мир на новую территорию — в макроскопический мир.
Эти работы находят новые приложения. Некоторые экспериментальные квантовые компьютеры используют петли сверхпроводящих проводников в качестве кубитов хранящих квантовую информацию. Большие квантовые объекты уже использовались, чтобы помочь обнаружить гравитационные волны; они могут появиться в устройствах следующего поколения, таких как сверхчувствительные датчики и системы шифрования. Эти инновации, однако, выходят далеко за рамки передовых технологий. Построение все больших и больших квантовых объектов повышает возможности исследования некоторых из неразгаданных тайн на пересечении между квантовым и классическим мирами, и между квантовой механикой и гравитацией.
Два мира
С тех пор, как австрийский физик Эрвин Шредингер впервые описал дуализм волны и частицы 90 лет назад
, физики исследуют границу между наблюдаемым, предсказуемым макроскопическим миром и миром, в котором действуют вероятностные квантовые законы. В квантовом мире частица существует как волна описывающая вероятность ее местоположения. Однако после измерения частица локализуется в определенной точке пространства.
Кроме того, квантовая частица может находиться в суперпозиции двух квантовых состояний с некоторой вероятностью нахождения в каждом из них. Например, электрон может находиться в суперпозиции высокого и низкого энергетических уровней. Когда производится измерение, это состояние разрушается, и наблюдается, что электрон находится только на одном из уровней. Согласно квантовой механике акт измерения изменяет систему.
То же и с запутанными парами. Измерение свойства одной приводит к изменению свойства другой, независимо от того, как далеко они находятся. Все это противоречит надежным ньютоновским законам, которые управляют нашим макроскопическим миром, в котором объект может быть надежно обнаружен в одном месте.
Квантовые правила применяются к отдельным атомам и другим частицам микромира, но из крошечных атомов состоит все вокруг, поэтому понятно, что эти эффекты должны масштабироваться. Но насколько далеко?
«Большинство людей полагает, что нет жесткой границы, за которой внезапно все меняется и квантовая механика перестает действовать», — говорит физик Саймон Греблахер из Университета Делфта (Нидерланды). « Но если мы столкнемся с жестким ограничением, — отмечает Джон Тойфель из Национального института стандартов и технологий (Боулдер, Колорадо), — это будет одной из самых захватывающих находок в этой области».
Некоторые физики предложили такой предел. Согласно так называемым теориям объективного коллапса ВФ, еще неоткрытые законы природы объясняют эту загадку не прибегая к идеи, что наблюдение изменяет систему. Английский математик и физик Роджер Пенроуз предположил, что коллапс ВФ является следствием гравитации, поэтому системы больше определенной массы никогда не должны демонстрировать квантовое поведение
. Теория Гирарди-Римини-Вебера (GRW), опубликованная в 1986 году, гласит, что ВФ частицы может просто спонтанно коллапсировать
. Это очень редкое событие для отдельной частицы, но в большой системе, состоящей из миллиардов или более запутанных частиц, коллапс для одной из них вскоре приведет к коллапсу остальных. « Поскольку коллапс носит случайный характер, можно только догадываться, какой должна быть подходящая система», — говорит Мика Силланпяя из Технологического университета Лахти (Миккели, Финляндия) — «Она может быть массой в миллиграмм или с массой Земли».
Квантовый беспредел
Физики продолжают спорить о том при каких размерах микроскопический мир переходит в макроскопический, и как количественно оценить это изменение. « Это сложный вопрос, и вы получите разные ответы от разных специалистов», — говорит физик Джонатан Фридман из колледжа Амхерст (Массачусетс).
Несмотря на это физики-экспериментаторы демонстрируют квантовые эффекты во все более сложных областях. Это вовсе не просто. Квантовые эффекты быстротечны, тонки и чувствительны, заглушаются даже малейшей вибрацией или термодинамическими флуктуациями. Чтобы их наблюдать требуются экспериментальные установки полностью изолирующие систему от тепла и шума внешнего мира.
В течение многих лет исследователям удавалось успешно уменьшать этот шум, наблюдая отдельные субатомные частицы и даже крупные атомы в запутанных состояниях. Выделение квантовых эффектов — это вопрос не столько размера, сколько сложности. Наблюдение за любой системой от отдельных атомов, до микроскопических барабанов означает подавление шума всех движущихся частей, чтобы квантовые эффекты могли выйти на сцену. Самой шумной переменной обычно является тепло: «температура одна из причин шума, который будет маскировать некоторые из тех эффектов и сигналов, которые вы ищете», — говорит Тойфель. И продолжает, что многие недавние демонстрации крупномасштабных квантовых эффектов основываются на методах, использованных для замораживания шума в отдельных атомах: «мы используем те же самые изящные методы, но не для отдельных атомов, а для квадриллионов атомов, чтобы сделать вещи, которые ближе к инженерным устройствам, которые мы можем наблюдать и использовать.»
Один из подходов использует петлю из сверхпроводящей проволоки, диаметром обычно около микрометра, прерываемую соединениями из несверхпроводящего материала. Сверхпроводимость означает, что электроны текут по контуру без сопротивления, и ток может быть измерен в этих переходах.
Физики могут использовать магнитные поля, чтобы заставить ток течь в обоих направлениях вокруг кольца одновременно. Это не означает, что половина течет в одну сторону, а половина в другую; все электроны действуют как один и одновременно движутся по часовой и против часовой стрелки. В 2000 году Фридман был участником группы, которая добилась наибольшей величины магнитного потока в суперпозиции. « Я думаю, что все еще держу мировой рекорд, хотите верьте, хотите нет», — говорит он.
Совсем недавно физики использовали сверхпроводящие петли для создания кубитов, которые хранят квантовую информацию с помощью магнитного потока. При правильной настройке эти потоковые кубиты могут показывать квантовые эффекты удивительного уровня. В 2016 году международная группа физиков использовала эти кубиты, чтобы исключить теории, которые предсказывали коллапс ВФ для определенных токов и временных масштабов
. В частности, квантовые законы продолжали действовать в их кубите при токе 170 наноампер, по крайней мере, в течение 10 наносекунд. Эти измерения опровергают теории, которые требуют, чтобы коллапс ВФ происходил на этих или меньших масштабах.
Механические системы также являются привлекательными мишенями для воспроизведения квантовых явлений. В Делфте Греблахер достиг запутанности в масштабах приближающихся к макромиру, используя мембраны диаметром 1 миллиметр, которые могут вибрировать в течение нескольких минут после толчка, что делает их привлекательными для тестирования механической запутанности. Греблахер предполагает использовать такую систему в будущем, чтобы поместить живой организм в квантовую суперпозицию. Для этого эксперимента потребуется чрезвычайно маленькое существо вроде тихоходки. « Это показало бы, что даже такие сложные системы могут подчиняться законам квантовой физики», — говорит он.
Совсем недавно группа Греблахера проводила эксперименты на устройстве, состоящем из двух кремниевых чипов, охлажденных почти до абсолютного нуля. Каждый чип имеет вытравленный крошечный канал длиной всего около 10 микрометров. Эти каналы действуют как механические генераторы, которые могут преобразовывать свет в движение. Когда на них падает свет они расширяются и сжимаются с почти идеально подобранной частотой. Также они переводят движение обратно в свет: генератор испускает фотон в той же точке, где он поглотился, но движется в противоположном направлении.
После размещения чипов на расстоянии 20 сантиметров друг от друга исследователи посылали лазерные импульсы через светоделитель, который посылал свет на генераторы. Этот свет заставлял вибрировать один из двух генераторов. Затем он испустил фотон, который прошел через другой светоделитель, и дальше к детектору. Эксперимент был поставлен таким образом, что одно возбуждение было разделено между осцилляторами. « Мы точно знаем, что один из них возбужден, но мы не можем сказать в принципе, какой именно, пока не измерим их», — говорит Греблахер. Исследователи не могут сказать, какой осциллятор был возбужден, не разрушая запутанное состояние
.
Запутанность была продемонстрирована ранее, но в гораздо меньших системах — от отдельных атомов, до облаков охлажденных газов состоящих из тысяч атомов. В последующих результатах, опубликованных в ноябре прошлого года, физики использовали ту же схему, чтобы доказать, что запутанность удовлетворяла теореме Белла
. Грубо говоря, теорема гласит, что запутанные квантовые состояния более сильно коррелируют, чем допускают законы классической физики. Для такой большой системы подобное исследование было первым, которое удовлетворяет теореме Белла. « Это один из способов, с помощью которого механические системы расширяют границы», — говорит Греблахер.
Греблахер считает, что это показывает способ использования волоконной оптики и кремниевых чипов для построения квантовых сетей. В этом году его группа показала, как эта экспериментальная установка может работать с излучением в диапазоне частот используемом в телекоммуникации
.
Но есть и препятствия. Когда дело доходит до таких демонстраций главной проблемой является уменьшение воздействия тепла. Например, система Греблахера требует, чтобы температура была близка к абсолютному нулю. Температура — это мера того, как быстро движутся отдельные атомы, и чем больше движение, тем труднее наблюдать квантовые эффекты. Физики разработали инструменты для уменьшения этого движения, включая лазерное охлаждение, при котором лазерные лучи захватывают атомы и обменивают электроны с высокой энергией на электроны с более низкой энергией, и испарительное охлаждение, которое откачивает атомы с самой высокой энергией, подобно тому, как испаряющийся пар охлаждает чашку чая.
Охлаждая этот алюминиевый барабан, который имеет диаметр всего 20 микрометров и толщину 100 нанометров, почти до абсолютного нуля, исследователи уменьшили тепловой шум, позволив проявиться квантовым эффектам. Этот метод может быть полезен в таких приложениях, как квантовые датчики или квантовые компьютеры. Изображение представлено: Национальный институт стандартов и технологий / Джон Тойфель.
Ударяя в квантовый барабан
В апреле прошлого года группа, возглавляемая Силланпяя из Технологического университета Лахти, представила еще один способ показать запутанность механических систем. Его группа использовала крошечные барабаны: алюминиевые мембраны, состоящие ~10^12 атомов и имеющие ~15 микрометров в диаметре, которые могли вибрировать. Они охлаждались почти до абсолютного нуля. Физики гасили механические колебания с помощью микроволн, так чтобы оставались только квантовые флуктуации
.
Анализируя микроволны и вибрации физики установили, что мгновенные положения барабанов были запутаны. Если один барабан был измерен в положении 1, то другой сразу же принимал положение 2. Запутанность сохранялась до тех пор, пока барабаны оставались под действием микроволн.
Поначалу этот эффект был не очевиден. « Это было не то, что мы могли увидеть сразу. Мы не понимали этих данных, поэтому пригласили в команду несколько хороших теоретиков, которые занялись поиском объяснения», — говорит Силланпяя. По его словам, спустя более года работы, анализ показал, что одну вибрацию невозможно измерить, не воздействуя на другую.
Эти большие квантовые системы подкрепляют веру в странность квантовых правил. Они указывают на то, что разделение между квантовым и классическим мирами это не столько граница, как в теориях объективного коллапса, сколько маскировка. « Люди пытались найти какие-то фундаментальные принципы, которые ограничивали бы квантовую механику», — говорит специалист по конденсированным состояниям Алексей Безрядин из Иллинойского университета (Урбана-Шампейн, Иллинойс). « Но до сих пор ни один эксперимент не может найти этот фундаментальный предел.» Подобные тесты подтверждают идею того, что для квантовой когерентности нет предела, а если и есть, то он выходит далеко за рамки проведенных экспериментов.
Также эти эксперименты не могут позволить человеческому глазу непосредственно наблюдать, как выглядит система находящаяся в двух квантовых состояниях одновременно. Например, независимо от того насколько велики эти механические системы и насколько сильны квантовые эффекты, человеческий глаз никогда не увидит объект в двух местах одновременно (однако можно собрать статистику исходов таких измерений, как, например, планируется в этих экспериментах с однофотонным источником, и посмотреть результат. В этой же публикации обзор исследований на эту тему — прим. переводчика).
Поиск подходящих материалов
Силланпяя говорит, что теперь его цель показать запутанность в миллиметровом масштабе. Большой проблемой является поиск подходящих материалов.
«Хотя многие вещи легко работают на бумаге, они не такие, когда вы приносите их в лабораторию», — говорит Силланпяя. До тех пор, пока материал не будет идентифицирован, очищен, исследован, охлажден и облучен лазерами, физики не будут знать, имеет ли он структуру, которая может использоваться в больших квантовых устройствах. В Иллинойском университете Безрядин разрабатывает материалы и методы, для разработки таких квантовых устройств, как сверхпроводящая нанопроволока
.
Он говорит, что наиболее полезными материалами, на которых исследуются квантовые эффекты являются те, которые могут сохранять когерентность, как можно дольше. Даже при охлаждении почти до абсолютного нуля некоторые материалы по-прежнему сохраняют слишком много шума, возникающего из-за взаимодействия атомов или загрязнений, что не позволяет использовать их для исследования квантового поведения.
Создание больших квантовых устройств зависит от важного баланса. С одной стороны, атомы должны быть изолированы, чтобы квантовые эффекты не исчезали. С другой стороны, они должны быть чувствительны к командам и данным. Например, в квантовом компьютере кубит должен «общаться» с другими кубитами, и одновременно взаимодействовать с внешним миром.
«Если он абсолютно недоступен для окружающей среды, его невозможно использовать», — говорит Безрядин. По его словам, поиск материалов соответствующих этим критериям, является „бутылочным горлышком“ этой области. Но физики используют вычислительные средства и модели для прогнозирования и разработки материалов, которые помогают преодолеть это препятствие. Безрядин надеется, что, как и узкие места в прошлом, физики преодолеют и это.
В дополнение к поиску подходящих материалов, физики должны усовершенствовать свои рецепты для создания устройств и больших систем, которые демонстрируют квантовые эффекты. Например, в NIST Теуфель потратил годы на разработку способа получения квантовых эффектов на алюминиевых барабанах, которые, по крайней мере для квантовых систем, является гигантским — он содержит ~10^15 атомов
. Его группа нашла способы охладить эту систему до все более низких температур приближающихся к абсолютному нулю. Их подход состоит в том, чтобы медленно устранять шумовые флуктуации, которые могут затенять квантовое поведение. А поскольку барабан встроен в схему, он может быть полезен в таких приложениях, как компьютеры, которые имеют квантовые и классические части.
Запрягая квантового коня
Квантовые компьютеры являются приложениями, которые получат выигрыш от использования квантовых эффектов в макромире в первую очередь. Запутанные потоковые кубиты позволяют создать экспериментальные квантовые компьютеры, которые могут делать то, что не могут делать классические.
Кроме того, существуют детекторы фотонов, такие как сверхпроводящая нанопроволока, созданная в 2017 году инженерами из Университета Дьюка (Дарем, Северная Каролина). Безрядин был пионером в создании подобных сверхпроводящих нанопроволок с использованием углеродных нанотрубок. Будущая квантовая коммуникационная сеть может потребовать ретрансляторы, и эти устройства могут использовать крупномасштабные квантовые эффекты, для ретрансляции запутанных состояний. Точность атомных часов связана с облаком запутанных частиц, и чем больше запутанных частиц, тем стабильнее часы.
Потрясающая возможность также открывается в связи с важным вопросом фундаментальной физики: как квантовая механика связана с гравитацией, наименее понятной из всех сил природы? Сверхпроводящие петли вряд ли помогут ответить на этот вопрос, потому что ток не обладает достаточной массой, чтобы гравитация стала заметной. Более крупные механические устройства, однако, не смогут избежать влияния гравитации. « Если поместить массивный объект в два места одновременно, — говорит Тойфель, — гравитация должна сыграть свою роль. А когда у вас есть гравитация и квантовые эффекты вместе, люди приходят в восторг».
Физики всего мира предлагают эксперименты с использованием механической запутанности на пределе, где действует гравитация. Две последние работы в этом направлении были опубликованы в 2017 году (11, 12), когда две независимые группы теоретиков, одна из Оксфордского университета, а другая из Университетского колледжа Лондона, предложили эксперименты, которые используют механически запутанные системы, чтобы выяснить, является ли гравитация квантовым феноменом. Идея этих экспериментов связана с тем, что если берутся два объекта, которые взаимодействуют только гравитационно, и могут создавать запутанное состояние, то сама гравитация должна проявить квантовое поведение.
Физик из Оксфордского университета Влатко Ведрал, разработавший одно из этих предложений, видит две основные проблемы: контроль того, как система может коллапсировать в классическое состояние, и дифференцирование гравитационных и электромагнитных эффектов. « Я считаю, что это не является непреодолимыми проблемами», — говорит Ведрал отмечая, что исследователи из Венского университета продвигаются вперед с дизайном подобного эксперимента.
Теоретик Сугато Бозе из Университетского колледжа Лондона, работавший над другим предложением говорит, что он сотрудничает с другими группами в создании интерферометра, который может гравитационно запутать две массы. Их план состоит в том, чтобы начать с наночастиц и постепенно увеличивать их размер, вплоть до порядка сотен микрон или долей миллиметра. Он отмечает, что группы в Монтане и Франции готовят подобные эксперименты.
Но не все с этим согласны. Некоторые физики утверждают, что предлагаемые экспериментальные конструкции используют слишком много предположений, чтобы окончательно решить вопрос о том, является ли гравитация квантовым явлением.
Несмотря на загадки квантовой гравитации, физики заинтригованы последствиями изучения запутанности в наблюдаемом и предсказуемом мире. То, что механическая система может находиться в двух местах одновременно, или то, что измерение одной вибрирующей системы оказывает заметное влияние на другую, указывает на то, что граница между классическим и квантовым мирами является не только теоретическим результатом, но и чем-то, что можно наблюдать и понимать.
1. E. Schrödinger, Quantisierung als Eigenwertproblem. Ann. Phys. 385, 437–490 (1926).
2. A. Ekert, R. Jozsa, R. Penrose, Quantum computation, entanglement and state reduction. Phils. Trans. A Math. Phys. Eng. Sci. 356, 1927–1939 (1998).
3. G. C. Ghirardi, A. Rimini, T. Weber, Unified dynamics for microscopic and macroscopic systems. Phys. Rev. D Part. Fields 34, 470–491 (1986).
4. G. C. Knee et al., A strict experimental test of macroscopic realism in a superconducting flux qubit. Nat. Commun. 7, 13253 (2016).
5. R. Riedinger et al., Remote quantum entanglement between two micromechanical oscillators. Nature 556, 473–477 (2018).
6. I. Marinković et al., Optomechanical Bell Test. Phys. Rev. Lett. 121, 220404 (2018).
7. M. Forsch et al., Microwave-to-optics conversion using a mechanical oscillator in its quantum groundstate. arxiv.org/abs/1812.07588v1 (18 December 2018).
8. C. F. Ockeloen-Korppi et al., Stabilized entanglement of massive mechanical oscillators. Nature 556, 478–482 (2018).
9. A. Belkin, M. Belkin, V. Vakaryuk, S. Khlebnikov, A. Bezryadin, Formation of quantum phase slip pairs in superconducting nanowires. Phys. Rev. X 5, 021023 (2015).
10. J. B. Clark, F. Lecocq, R. W. Simmonds, J. Aumentado, J. D. Teufel, Sideband cooling beyond the quantum backaction limit with squeezed light. Nature 541, 191–195 (2017).
11. S. Bose et al., Spin entanglement witness for quantum gravity. Phys. Rev. Lett. 119, 240401. (2017).
12. C. Marletto, V. Vedral, Gravitationally induced entanglement between two massive particles is sufficient evidence of quantum effects in gravity. Phys. Rev. Lett. 119, 240402. (2017).
Оптимизация трафика
Квантовые компьютеры позволят смягчить многие проблемы, связанные с увеличением населения и скопления людей на фоне необходимости декарбонизации. Одна из таких проблем – регулирование дорожного движения.
Квантовые технологии позволяют избежать пробок и сократить время ожидания. Это означает, что автобусы и такси не будут путешествовать на большие расстояния без пассажиров, и людям не придется долго ждать своих такси.
Volkswagen уже продемонстрировал живое использование квантовых вычислений для оптимизации трафика. Его алгоритм квантовой маршрутизации работает на квантовом компьютере D-Wave и рассчитывает самые быстрые маршруты путешествий индивидуально в реальном времени.
Такие алгоритмы могут постоянно взаимодействовать с движущимися объектами (велосипеды, автомобили, люди) и дополнять всю систему мобильности города. Они также могут быть реализованы в системе управления воздушным движением для оптимизации маршрутной информации.
Volkswagen – не единственная компания, работающая над “квантовой оптимизацией движения”. Почти все производители автомобилей, включая BMW, Toyota и Ford, инвестируют в квантовые исследования.
Где уже используют квантовые технологии урок цифры?
Уже используют квантовые технологии: флешки; оптоволоконная связь; персональные компьютеры.
Финансовое моделирование
Современные рынки – одна из самых сложных систем в мире. За то время, пока вы будете читать это предложение, хедж-фонды, инвестиционные банки и розничные инвесторы по всему миру будут торговать акциями на сумму более 80 миллионов долларов.
Для институциональных инвесторов очень важно найти правильное сочетание для плодотворного инвестирования, исходя из ожидаемой доходности и связанных с ней рисков, чтобы выжить на рынке. Это включает в себя анализ тысяч факторов, которые могут повлиять на цены акций. Многие инвестиционные банки запускают моделирование методом Монте-Карло на классических компьютерах для подробного анализа, который требует огромных вычислительных ресурсов и времени.
Квантовые компьютеры специально разработаны для такого рода вероятностных вычислений. Прыгнув на квантовую подножку, инвестиционные банки могут не только повысить качество решений, но и сократить время их разработки. Поскольку эти предприятия обрабатывают миллиарды долларов, даже небольшое увеличение ожидаемой прибыли может им дорого обойтись.
В конечном итоге квантовые компьютеры помогут финансовым службам:
Где уже используются квантовые технологии?
У нас есть 23 ответов на вопрос Где уже используются квантовые технологии? Скорее всего, этого будет достаточно, чтобы вы получили ответ на ваш вопрос.
Отвечает Анна Чёрная
Где квантовые эффекты уже применяются?
У нас есть 20 ответов на вопрос Где квантовые эффекты уже применяются? Скорее всего, этого будет достаточно, чтобы вы получили ответ на ваш вопрос.
Отвечает Лиза Шамоян
Большие квантовые объекты уже использовались, чтобы помочь обнаружить гравитационные волны; они могут появиться в устройствах следующего поколения, таких как сверхчувствительные датчики и системы шифрования. Эти инновации, однако, выходят далеко за рамки передовых технологий. Jun 7, 2020
По словам Оуэна Маруни, работающего физиком в Оксфордском университете, с момента появления квантовой теории в 1900-х годах все говорили о странности этой теории. Как она позволяет частицам и атомам двигаться в нескольких направлениях одновременно, или одновременно вращаться по часовой и против часовой стрелки.
В квантовых коммуникациях — передаче информации при помощи квантовых объектов, позволяющей делать систему защищенной, распределять криптографические ключи — лидером будет Китай. Северная Америка значительно от него отстает.
Есть прототипы квантовых компьютеров определенного масштаба. Для той эры, в которой мы сейчас находимся, придумали специальное название: NISQ — «шумные промежуточные квантовые устройства». Они есть, например, у IBM.
Где используется квантовая механика?
Квантовая механика позволяет рассчитывать свойства и поведение физических систем. Обычно её применяют к микроскопическим системам: молекулам, атомам и субатомным частицам :1.1.
Что значит квантовая революция для IT-индустрии
Пока что ничего. Мы находимся в так называемой эре NISQ — Noisy Intermediate-Scale Quantum technology. Это значит, что сейчас нет таких квантовых устройств, которые могли бы соперничать с классическими компьютерами. Пока нельзя создать квантовую систему, которая по всем параметрам превзойдет классическую: достаточно небольшую, универсальную и изолированную. Пока получаются только системы, которые выполняют узкоспециальные задачи определенного сорта лучше, чем вычислительный кластер. Квантовые технологии пока непрактичны. Хотелось бы использовать этот огромный потенциал для своих ежедневных задач, но неизвестно, как это сделать.
У квантовых технологий огромный «подрывной потенциал». Если научиться хорошо решать хотя бы одну из оптимизационных задач, о которых говорилось выше, это изменит одну конкретную индустрию, как минимум. Надеюсь, что через 5-10 лет в некоторых направлениях ситуация изменится.
Многие компании создают прообразы настоящих квантовых компьютеров — они уже что-то умеют делать, но пока этого недостаточно.
В Сколтехе мы пытаемся ответить на главный вопрос — как и для чего можно использовать квантовый компьютер. С моими коллегами Владимиром Антоновым и Олегом Астафьевым трудимся над проектом, в рамках которого работаем над маленьким квантовым компьютером. К сожалению, часть архитектурных и дизайнерских вопросов еще не решены, потому что мы все еще не уверены, какие именно задачи должен будет решать этот компьютер. Если этот вопрос вам интересен, приглашаю его обсудить.
То, с каким интересом участники HighLoad++ восприняли доклад о квантовых компьютерах и АЭС, натолкнуло нас на мысль уделить большее внимание подобным темам на наших конференциях. Поэтому на РИТ++ в мае в онлайне у нас будут секции научпопа и применения IT в смежных областях. И это только малая часть новинок фестиваля «Российские интернет-технологии» — подробнее смотрите на сайте и в рассылке.
Чистые удобрения
Сегодня аммиачные удобрения производятся с помощью химического процесса под названием Haber-Bosch. Он сочетает в себе атмосферный азот с водородом при высоких температурах и чрезвычайно высоких давлениях. Этот процесс потребляет огромное количество энергии и высвобождает много парниковых газов.
Если бы исследователи детально изучили механизм нитрогеназы и поведение переходных металлов, они могли бы разработать более эффективные катализаторы для производства удобрений, а также ряд других важнейших химических веществ, необходимых в промышленности.
Хорошая новость заключается в том, что квантовые компьютеры однажды смогут моделировать первичный кофактор нитрогеназы (кофактор FeMo), что даст представление о его механизмах. Это поможет химикам создать энергоэффективные производственные процессы для синтеза азотных удобрений.
Искусственный интеллект
Интеллект, демонстрируемый машинами, основан на принципе извлечения уроков из опыта. Чем больше наборов данных вы используете для обучения ИИ, тем более точным он будет. Поскольку точность / сила ИИ зависит от анализа миллионов или даже миллиардов точек данных, он является идеальным кандидатом для квантовых вычислений
Для некоторых моделей квантовое машинное обучение будет намного эффективнее классического машинного обучения. Она распространяется на область исследований, исследующую структурные и методологические сходства между конкретными физическими системами и системами обучения, в частности нейронными сетями.
Было сказано, что искусственный интеллект будет для 21-го века тем же, чем электричество было для 20-го. Мы уже находимся на том этапе, когда ИИ способен создать еще один ИИ, поэтому его значение будет быстро возрастать.
Чтобы ускорить разработку, Google в сотрудничестве с Volkswagen и Университетом Ватерлоо запустила TensorFlow Quantum-библиотеку с открытым исходным кодом для прототипирования моделей квантового машинного обучения. I BM, Microsoft и другие технологические гиганты также вкладывают деньги в квантовое машинное обучение.
Для ускорения разработки компания Google в сотрудничестве с Volkswagen и Университетом Ватерлоо запустила TensorFlow Quantum, библиотеку с открытым исходным кодом для создания прототипов моделей квантового машинного обучения.
Аккумуляторы нового поколения
Литий-ионные батареи прошли долгий путь: десять лет назад они могли использовать смартфоны в течение дня, а теперь они могут приводить в действие электромобили на расстояниях в сотни километров.
Однако, если мы хотим сделать более мощные, недорогие батареи, которые могли бы работать дольше, чем существующие, нам нужны некоторые прорывы. Исследователи из IBM и Daimler AG (материнской компании Mercedes-Benz) проверяют, насколько эффективно квантовые компьютеры смогут моделировать поведение химических соединений в батареях.
Они смогли смоделировать дипольные моменты четырех промышленно значимых молекул (сероводорода, гидрида лития, сульфида лития и сероводорода лития), используя 21-кубитный квантовый компьютер.
По мере того, как мы увеличиваем или улучшаем состояния кубитов, мы сможем тестировать более крупные и сложные соединения для батарей следующего поколения. Этот тип исследования – фундаментальная работа, которая в конечном итоге приведет нас к этому.
Как работает квантовый компьютер
Он работает иначе — по интуитивно непонятной логике. Как и обычный, он проводит вычисления, но в его основе лежат законы квантовой механики.
Классический мир и классическая механика детерминистичны. Это значит, что значение любого регистра памяти в компьютере всегда 0 или 1, а тарелка всегда либо целая, либо разбита.
В квантово-механической системе нет такой четкости, а есть вероятность, которая определяет ее суть. Правильный вопрос здесь — какова вероятность, что тарелки разбились или целы, какова вероятность, что значения регистра 0 или 1?
Вероятность — первое важное понятие в квантовой механике. С точки зрения квантовой механики «тарелки Шредингера» одновременно и целые, и разбитые. Есть некая вероятность того, что они целые, и некоторая вероятность, что разбитые. Эта неопределенность и отражает реальный физический мир.
На классическом уровне неопределенность маскирует наше незнание. Например, когда мы покупаем лотерейный билет «Спортлото», для нас появляется вероятность выиграть, потому что мы не знаем выигрышный номер.
Для классической физики лотерея — это не вероятностный процесс. Всегда можно описать движение руки, которая запускает барабан, скорость и траекторию каждого шарика. Теоретически, можно угадать выигрышный номер (хотя практически — сложно). В квантовой механике даже теоретически нельзя угадать, что произойдет в следующую секунду. Мы можем только предсказать это с точки зрения вероятности.
Второе понятие — принцип суперпозиции. Обычный бит находится только в значениях 0 или 1. В квантовых компьютерах нет обычных битов, а есть квантовые — кубиты. Квантовый бит находится в состоянии 0 или 1 с какой-то вероятностью. Кубит может находиться одновременно в этих состояниях, притом в разных комбинациях — в суперпозиции этих состояний.
Когда система (кубит) находится одновременно в состоянии 0 или 1, можно говорить только о вероятностях. Если состояний много, система одновременно находится во всех возможных состояниях, но с меньшей вероятностью для каждого. Это принципиально важно.
В классической программе в каждый конкретный момент времени каждая строка программы работает с определенной ячейкой памяти. В квантовой механике можно работать со всеми ячейками памяти одновременно.
«Память» квантового компьютера
В чем основная разница между квантовой и классической памятью компьютера? В обычном компьютере мы записываем числа в двоичном коде. Например, число 8 в двоичной системе выглядит как 00001000, и для его записи достаточно 4 битов.
В квантовых компьютерах кубиты находятся в состоянии 0 или 1 с какой-то вероятностью. Вероятность — это число. Чтобы записать одно число с бесконечной точностью, нужно бесконечное количество битов. Поэтому, в теории, один кубит — это физическая система с бесконечным количеством памяти.
На практике у методов измерения ограниченная точность. Будем считать, что она соответствует обычной машинной (float). Получается, что кубит содержит два числа: вероятности, что кубит в состоянии 0 и в состоянии 1.
Примечание: для упрощения мы игнорируем, что сумма вероятностей кубита в состоянии 0 и 1 должна равняться единице. Основной вывод не зависит от упрощения.
Один кубит соответствует двум вещественным числам (float). Это большой выигрыш, потому что для двух вещественных чисел на обычном компьютере нужно два машинных слова — 128 обычных битов, а мы обошлись одним квантовым. Может показаться, что квантовый компьютер в 128 раз лучше обычного. Но это не так.
Квантовый компьютер экспоненциально лучше обычного.
Один кубит это 2 вещественных числа. Два кубита — 4 вещественных числа. Но восемь кубитов это 256 потенциальных конфигураций восьми нулей и единиц — два в восьмой степени.
Для одного кубита выигрыш в 128 раз, а для восьми кубитов он существенно больше — 256*128. Система n кубитов в памяти эквивалентна
Емкость квантовой памяти растет в геометрической прогрессии.
Память обычного ноутбука эквивалентна 15 кубитам, 40 кубитов равны памяти самых мощных вычислительных центров, а 50-60 кубитов превышают суммарную память всех вычислительных центров всего мира.
Три-четыре кубита эквивалентны увеличению обычной классической памяти в 10-20 раз. Квантовая память значительно более емкая, чем любые другие классические способы записи информации. В этом главный потенциал квантовых вычислений.
Но экспоненциальный рост емкости квантовой памяти вызывает проблему размерности. Из-за проклятия размерности сложно описать такую квантовую систему на классическом компьютере — требуется все больше и больше памяти.
Какие задачи может решить квантовый компьютер
Если квантовый мир работает на уровне неопределенности, как вообще возможно что-то посчитать? У квантовой механики вероятностная природа, а нам нужен точный ответ. Как все будет работать, если нужно просто перемножить два числа?
Объясню на примере задач класса NP, то есть задач разрешимости, решение которых невозможно найти за полиномиальное время — во всяком случае, в предположении
. Однако, правильность решения за полиномиальное время проверить можно. Это похоже на взлом закрытого замка: мы не умеем пользоваться отмычками, но можем быстро проверить любой ключ, если он есть.
Благодаря принципу суперпозиции квантовая система находится сразу во всех состояниях и ищет лучший вариант. Однозначного ответа система не дает, но повышает вероятность того, что лучший вариант является решением. Когда система остановится на каком-то решении, мы сможем довольно быстро проверить его на правильность.
Если окажется, что ответ неверен, запустим квантовый компьютер еще раз. Вероятность получения правильного ответа больше 50%, а часто гораздо больше. Значит, за 2-4 запуска квантового алгоритма мы получим правильный ответ.
У нас не будет однозначного ответа, а только вероятность получить правильный ответ. Но эта вероятность весьма высока. Фактически, мы гадаем, но не на кофейной гуще, а на научной. За несколько итераций мы найдем ответ и проверим, что он правильный.
Параметры квантового компьютера
У классического компьютера два параметра качества: объем памяти и количество операций. С обычным компьютером мы по умолчанию предполагаем, что у нас есть доступ ко всем ячейкам памяти для записи и чтения.
В квантовом случае есть три параметра.
Объем памяти или количество кубит. Чем больше памяти, тем лучше? Для квантового компьютера нет — когда мы увеличиваем количество кубит, растет сложность квантовой системы. Систему становится тяжело поддерживать в изолированном состоянии.
Время работы или количество последовательных операций (когерентность). Систему обязательно требуется поддерживать в изолированном состоянии — в физике это называется когерентность. Если позволить квантовой системе взаимодействовать с окружающей средой, то это разрушит состояние ячеек квантовой памяти. Вместо нулей и единиц будет просто шум.
Мы пытаемся поддерживать систему изолированной как можно дольше. Но чем больше квантовых операций проводим, тем больше времени на них уходит, а значит все сложнее поддерживать систему в изолированном состоянии.
Примечание: здесь количество операций не в секунду, а за все время работы системы.
Возникает парадокс: чем больше кубитов, тем меньше операций доступно. Поэтому время, в течении которого можно держать систему изолированной и произвести некоторое количество операций, это важный параметр.
Представьте обычный компьютер, в котором нет охлаждения. Пока компьютер не перегреется, у него есть время что-то посчитать, а потом он отключается. Примерно то же самое происходит в квантовом компьютере. В нем нет «вентилятора»: чем больше работает, тем больше нагревается, пока не разрушится. Поэтому есть ограничение на количество операций.
Универсальность. В классическом компьютере доступны любые операции: умножение, деление, вычитание. Теоретически, в квантовом тоже. Но на практике, существенно проще проводить операции только с соседними кубитами, которые расположены на прямой, в прямоугольном или квадратном массиве. Для работы со всеми кубитами требуется очень сложная архитектура — на практике пока так не умеют.
Все три направления конфликтуют друг с другом. Мы можем улучшить одно, но это произойдет за счет ухудшения двух других. Сейчас, когда технология в зачаточном состоянии, можно выделить несколько прототипных платформ, и каждая из них пытается улучшить показатели одного направления за счет двух других.
Возможные области применения квантовых компьютеров
Одна большая потенциальная область применения — это криптография. Вторая — оптимизационные задачи, которые возникают в самых разных областях.
Наука. Квантовые вычисления могут помочь предсказывать поведение элементарных частиц, моделировать молекулы ДНК или разрабатывать новые лекарственные препараты. Например, квантовые вычисления пытаются применять в фармакологии. Для этого нужно понимать, какую форму принимают разные протеины (про которые можно думать, как про микроскопические квантовые объекты). Мы не знаем, как они себя будут вести, но самый простой способ это понять — симулировать их поведение на квантовом компьютере. У этой научной задачи огромный бизнес-потенциал: новые лекарства, добавки, антибиотики.
Новые материалы. В науке о материалах главное — понять взаимодействие атомов, что можно смоделировать на квантовых компьютерах. Это тоже научная задача, но создав новый материал, его уже можно продавать.
Машинное обучение и искусственный интеллект. Машинное обучение — сложный процесс, который требует огромного количества вычислений. Пока здесь нет практической пользы от квантовых компьютеров, потому что они сейчас не на том уровне развития. Но в перспективе, квантовые компьютеры могут ускорить стандартные алгоритмы. В некоторых случаях это выглядит революционно, потому что можно в десятки раз сократить время обучения нейросети.
Транспорт, энергетика, логистика. В этих сферах много оптимизационных задач. Например, в энергетике главная проблема — распределение электрической энергии по стране. Цена на электричество в разных регионах отличается, при этом во время передачи часть энергии теряется, а с ней и прибыль. Чтобы заработать больше денег, бизнес пытается оптимизировать передачу. Это одна из тех задач, которая находится в классе NP. Сложно найти правильное решение, но квантовый компьютер может помочь.
Бизнес-приложения. В бизнесе квантовыми вычислениями занимаются только большие компании, корпорации. У гигантов есть деньги и ресурсы, например, у Google, D-Wave или IBM (лидер области с большими наработками).
На сайте компании D-Wave написано, что уже в 150 бизнес-приложениях используются квантовые вычисления. I BM выпустил брошюру, в которой обсуждается, что можно сделать с помощью квантового компьютера. Это десятки различных индустрий и потенциально сотни бизнес-решений. Так все выглядит на бумаге.
В реальности все немного иначе. Развитие технологий сейчас пока не на том уровне, чтобы применять их на практике.
Как работает обычный компьютер
Чтобы объяснить, что такое квантовый компьютер и как он работает, нужно начать издалека и рассказать, как работает компьютер обычный. Работа обычного компьютера определяется двумя параметрами: памятью, скоростью вычислений.
Память — основная характеристика вычислительной системы. Компьютер умеет читать, писать и обрабатывать информацию, которая хранится в памяти.
Компьютер выполняет простейшие операции: перемножения, вычитания, сложения чисел. Если выполнять эти операции много и быстро, то можно объединить их в программу, которая обрабатывает информацию. Так работают базы данных, поиск или нейронные сети. Здесь важна скорость вычислений или скорость выполнения операций (FLOPS).
Есть еще третий (дополнительный) параметр — детерминизм, общая характеристика для всех вычислительных систем. Означает, что все машины работают по программе, которая однозначна — ноль всегда ноль, а единица это точно единица. Никаких иных толкований не предусмотрено и нет элемента неопределенности.
Неопределенность можно внести только на уровне входных данных, например, случайными числами. Ввод может быть случайным, но программа всегда однозначно обрабатывает все входящие данные.
Какие технологии используют квантовые технологии?
К возможным практическим реализациям относят квантовые вычисления и квантовый компьютер, квантовую криптографию, квантовую телепортацию, квантовую метрологию, квантовые сенсоры, и квантовые изображения.
Где используют квантовые технологии?
D-Wave Systems Inc. (в сотрудничестве с Recruit Communication Ltd) уже применил квантовые вычисления для рекламы, маркетинга и оптимизации коммуникаций. Цель состоит в том, чтобы проанализировать сложные данные за меньшее время и оптимизировать эффективность подбора рекламы для клиентов в области веб-рекламы.
Физика элементарных частиц
Возможно, наиболее захватывающим и полезным применением квантовых вычислений является изучение новой физики. Модели физики элементарных частиц чрезвычайно сложны, требуют большого количества ресурсов и длительного времени вычислений для численного моделирования.
Например, эксперименты на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе дают удивительные данные по одному петабайту в секунду от миллиарда столкновений частиц каждую секунду. Анализ выполняется на одном миллионе процессорных ядер, работающих в 170 центрах обработки данных по всему миру. К 2027 году вычислительная мощность, необходимая для обработки и анализа данных ЦЕРН, увеличится в 50-100 раз.
Вот тут-то и пригодились бы квантовые вычисления. Это позволит физикам моделировать ядерную физику, рассеяние ядер, кварки, а также фундаментальные взаимодействия.
ЦЕРН уже начал работать с IBM над квантовыми компьютерами. Исследователи использовали “квантовую машину опорных векторов”, чтобы увидеть, как контролируемое квантовое машинное обучение может быть использовано для идентификации событий бозона Хиггса в данных о столкновениях.
Другая группа исследователей успешно смоделировала решеточные калибровочные теории на квантовом компьютере, которые описывают взаимодействие между элементарными частицами, такими как кварки и глюоны.
В целом квантовые вычисления делают успехи в различных областях, от физики многих тел до молекулярной энергетики. Это нарушит существующие методы и позволит исследователям решать проблемы, которые они никогда раньше не пытались решить.
Кибербезопасность
Квантовые компьютеры смогут решить многие проблемы, которые почти невозможно решить современным машинам. Это включает в себя взлом алгоритмов шифрования, которые защищают инфраструктуру интернета и конфиденциальные данные.
Например, шифрование RSA, основанное на 2048-битных числах, широко используется для безопасной передачи данных. Считается, что квантовый компьютер с 20 миллионами кубитов может взломать такое шифрование в течение 8 часов.
Конечно, возможности квантовых вычислений также можно использовать для разработки надежных систем шифрования. Многие компании, включая Microsoft и Google, уже начали работу над алгоритмами квантово-безопасного шифрования. В настоящее время они находятся на теоретической и тестовой фазе. Основная задача – интегрировать эти новые подходы в существующую инфраструктуру.