5. Квантовая информация и вычисления
Обработка информации, заключенной в квантовых состояниях, а не в электрических токах обычных компьютерных микросхем, открывает перспективы несравненно более эффективной, экономичной и безопасной обработки числовых данных. По крайней мере, в теории. Задача состоит лишь в том, чтобы сделать ее реальной. Что касается будущего, квантовая криптография обещает новый способ абсолютной конфиденциальной коммуникации – жизненно важной для все более цифровизирующегося общества. И это только начало: новые применения квантовой механики появляются все время.
Что делает квантовые компьютеры такими уникальными?
Идея использования законов квантовой механики для построения компьютера впервые была предложена физиком Ричардом Фейнманом (см. рис. 5.1) в 1982 году, а в 1985 году физик Дэвид Дойч создал первую теоретическую схему. Эта область процветала и в последующие десятилетия (см. хронологию ниже в этой главе). Но как в реальности построить квантовый компьютер и как он работает? Чтобы внести ясность, приведем сводку основ.
Обычные компьютеры обрабатывают информацию, используя наличие или отсутствие электрического заряда (или тока). Эти классические биты имеют два положения: включен (1) и выключен (0). Полупроводниковые переключатели – транзисторы – переворачивают эти биты, осуществляя логические элементы, например И, ИЛИ и НЕ. Объединяя эти элементы, мы можем вычислить все, что в принципе поддается вычислению.
Рис. 5.1. Ричард Фейнман – пионер в области квантовых вычислений.
В квантовых вычислениях переключение производится между квантовыми состояниями. К квантовым объектам, как правило, может быть применимо множество состояний одновременно: атом в одно и то же время может занимать несколько положений или находиться в нескольких энергетических состояниях, фотон – более чем в одном состоянии поляризации, и так далее. Можно сказать, что квантовый бит, или кубит, является суперпозицией, включающей одновременно и 0, и 1.
Это уже предлагает существенное увеличение вычислительной мощности. Но реальная основа работы квантового компьютера – это возможность запутанности друг в друге состояний множества кубитов, что создает суперпозицию всех возможных комбинаций однокубитных состояний. Разнообразные операции, одновременно проводимые над разными частями суперпозиции, эффективно реализуют крайне мощный процессор с параллельными вычислениями, характеризующийся экспоненциальным ростом потенциала: n кубитов имеют производительность обработки информации 2n классических битов (см. рис. 5.2). Таким образом, 400-кубитный квантовый компьютер соответствует классическому компьютеру с 10120 битами – числом, намного превышающим оцениваемое количество частиц, существующих во Вселенной.
Рис. 5.2. Квантовая суперпозиция и запутанность объединяются, реализуя более эффективную обработку и телепортацию информации на расстояния.
Кубит
Обычные компьютеры используют для обработки информации биты. Основная единица квантовых вычислений – кубит. Он является физической системой, которая может существовать в двух разных состояниях и воспроизводить единицы и нули, составляющие двоичный код, который используют компьютеры. Кубит может быть электроном, поддерживаемым в магнитном поле, или поляризованным фотоном, поэтому его спином легко управлять. Подготовка кубитов, а также их считывание и запись в них информации проводится с помощью специализированного оборудования, работающего, например, на рубиновом лазере, нелинейном кристалле или даже розовом бриллианте.
Суперпозиция
Необычайным преимуществом кубита перед обычным битом является то, что он может быть приведен в состояние суперпозиции, при котором кубит и 0, и 1 одновременно. Но привести его в это состояние очень сложно: любые рассеянные потоки тепла, электромагнитный шум или удар могут снова выбить кубит из суперпозиции. Предотвращаются эти факторы с помощью сложных холодильных установок или новейшей системы подавления вибрации. Но даже в этом случае запускать квантовый компьютер можно на ограниченное время, пока не сколлапсирует суперпозиция. Это «время когерентности» очень важно.
Запутанность
И вот здесь происходит настоящая «магия». Неразрывная взаимосвязь двух субатомных частиц, или запутанность, позволяет управлять сразу несколькими кубитами. Именно это делает квантовые компьютеры такими выдающимися: всего лишь восемь кубитов, запутанные и поддерживаемые в суперпозиции, могут одновременно представлять любое число от 0 до 255, позволяя вам проводить множество операций сразу. Для квантовых вычислений важным качеством является количество запутанных кубитов, которым можно управлять одновременно. Сейчас 14 – это рекорд, достигнутый в 2011 году группой Райнера Блатта в Инсбрукском университете (Австрия).
Исправление ошибок
Любой нормальный компьютер допускает ошибки. Иногда пик напряжения или проходящая частица космических лучей может поразить бит, изменив его с 0 на 1. Безопасность процессоров обеспечивается копированием данных, но в случае с кубитами работает закон, названный теоремой о запрете клонирования.
К счастью, для решения этой проблемы существуют алгоритмы исправления ошибок. Недостатком является то, что они нуждаются в огромном количестве кубитов – в 100–10 000 раз больше, чем нужно для реальных выполняемых вычислений. Однако мы быстро научились составлять массивы кубитов для исправления ошибок, и частота их появления также пошла на спад. В июне 2014 года компания IBM представила миру код, который исправляет ошибки и подходит для больших массивов кубитов – ожидается, что они обгонят по производительности обычные машины.
Идея использования законов квантовой механики для построения компьютера впервые была предложена физиком Ричардом Фейнманом (см. рис. 5.1) в 1982 году, а в 1985 году физик Дэвид Дойч создал первую теоретическую схему. Эта область процветала и в последующие десятилетия (см. хронологию ниже в этой главе). Но как в реальности построить квантовый компьютер и как он работает? Чтобы внести ясность, приведем сводку основ.
Обычные компьютеры обрабатывают информацию, используя наличие или отсутствие электрического заряда (или тока). Эти классические биты имеют два положения: включен (1) и выключен (0). Полупроводниковые переключатели – транзисторы – переворачивают эти биты, осуществляя логические элементы, например И, ИЛИ и НЕ. Объединяя эти элементы, мы можем вычислить все, что в принципе поддается вычислению.
Рис. 5.1. Ричард Фейнман – пионер в области квантовых вычислений.
В квантовых вычислениях переключение производится между квантовыми состояниями. К квантовым объектам, как правило, может быть применимо множество состояний одновременно: атом в одно и то же время может занимать несколько положений или находиться в нескольких энергетических состояниях, фотон – более чем в одном состоянии поляризации, и так далее. Можно сказать, что квантовый бит, или кубит, является суперпозицией, включающей одновременно и 0, и 1.
Это уже предлагает существенное увеличение вычислительной мощности. Но реальная основа работы квантового компьютера – это возможность запутанности друг в друге состояний множества кубитов, что создает суперпозицию всех возможных комбинаций однокубитных состояний. Разнообразные операции, одновременно проводимые над разными частями суперпозиции, эффективно реализуют крайне мощный процессор с параллельными вычислениями, характеризующийся экспоненциальным ростом потенциала: n кубитов имеют производительность обработки информации 2n классических битов (см. рис. 5.2). Таким образом, 400-кубитный квантовый компьютер соответствует классическому компьютеру с 10120 битами – числом, намного превышающим оцениваемое количество частиц, существующих во Вселенной.
Рис. 5.2. Квантовая суперпозиция и запутанность объединяются, реализуя более эффективную обработку и телепортацию информации на расстояния.
Кубит
Обычные компьютеры используют для обработки информации биты. Основная единица квантовых вычислений – кубит. Он является физической системой, которая может существовать в двух разных состояниях и воспроизводить единицы и нули, составляющие двоичный код, который используют компьютеры. Кубит может быть электроном, поддерживаемым в магнитном поле, или поляризованным фотоном, поэтому его спином легко управлять. Подготовка кубитов, а также их считывание и запись в них информации проводится с помощью специализированного оборудования, работающего, например, на рубиновом лазере, нелинейном кристалле или даже розовом бриллианте.
Суперпозиция
Необычайным преимуществом кубита перед обычным битом является то, что он может быть приведен в состояние суперпозиции, при котором кубит и 0, и 1 одновременно. Но привести его в это состояние очень сложно: любые рассеянные потоки тепла, электромагнитный шум или удар могут снова выбить кубит из суперпозиции. Предотвращаются эти факторы с помощью сложных холодильных установок или новейшей системы подавления вибрации. Но даже в этом случае запускать квантовый компьютер можно на ограниченное время, пока не сколлапсирует суперпозиция. Это «время когерентности» очень важно.
Запутанность
И вот здесь происходит настоящая «магия». Неразрывная взаимосвязь двух субатомных частиц, или запутанность, позволяет управлять сразу несколькими кубитами. Именно это делает квантовые компьютеры такими выдающимися: всего лишь восемь кубитов, запутанные и поддерживаемые в суперпозиции, могут одновременно представлять любое число от 0 до 255, позволяя вам проводить множество операций сразу. Для квантовых вычислений важным качеством является количество запутанных кубитов, которым можно управлять одновременно. Сейчас 14 – это рекорд, достигнутый в 2011 году группой Райнера Блатта в Инсбрукском университете (Австрия).
Любой нормальный компьютер допускает ошибки. Иногда пик напряжения или проходящая частица космических лучей может поразить бит, изменив его с 0 на 1. Безопасность процессоров обеспечивается копированием данных, но в случае с кубитами работает закон, названный теоремой о запрете клонирования.
К счастью, для решения этой проблемы существуют алгоритмы исправления ошибок. Недостатком является то, что они нуждаются в огромном количестве кубитов – в 100–10 000 раз больше, чем нужно для реальных выполняемых вычислений. Однако мы быстро научились составлять массивы кубитов для исправления ошибок, и частота их появления также пошла на спад. В июне 2014 года компания IBM представила миру код, который исправляет ошибки и подходит для больших массивов кубитов – ожидается, что они обгонят по производительности обычные машины.
Что делает кубит хорошим?
В 1997 году Дэвид Ди Винченцо из IBM определил жесткий, хотя и не исчерпывающий список некоторых необходимых требований, которым должен соответствовать любой практичный квантовый компьютер.
• Масштабируемость
Чтобы превзойти классический компьютер, квантовый должен справляться с сотнями кубитов, включая запутывание и управление. Квантовые компьютеры, построенные до настоящего времени, осиливают только несколько. Масштабируемость представляет собой серьезное препятствие: чем больше система, тем сильнее она склонна «декогерировать» в условиях окружающих шумов, теряя необходимый квантовый характер.
• Инициализация
Мы должны быть способны надежно зафиксировать все кубиты в одном состоянии (скажем, в состоянии нуля) в начале вычислений.
• Когерентность
Время до начала декогеренции должно быть намного больше времени включения квантового логического элемента – желательно, в несколько десятков раз. В большинстве практических реализаций, которые были выполнены к настоящему времени, это требовало рабочую температуру, близкую к абсолютному нулю, для ограничения эффектов интерференции с окружающей средой.
• Точность
Результаты операций должны точно воспроизводиться кубитом, даже при осуществлении множества последовательных операций.
• Стабильная память
Должен быть обеспечен надежный способ установления состояния кубита, поддержки его в том состоянии и его последующего сброса.
Решение числовых задач
Как и остальные квантовые хитрости, перспективы квантовых компьютеров опираются в основном на два алгоритма. Один, разработанный в 1994 году Питером Шором, работавшим тогда в Bell Labs, позволяет квантовому компьютеру быстро находить простые множители больших чисел (см. интервью ниже в этой главе). Классические компьютеры фактически должны поочередно разделить данное число на все простые множители (2, 3, 5, 7, 11 и т. д.), тогда как квантовые могут производить все эти деления одновременно. Обычные методы шифровки основываются на том, что классические компьютеры не могут эффективно раскладывать на простые множители.
Если бы алгоритм Шора реализовали на практике в глобальных масштабах, то зашифрованная информация, например пин-код вашей банковской карты, стала бы уязвима для взлома – и квантовая криптография была бы единственной реальной защитой (см. ниже в этой главе). Пока что волноваться рано, поскольку квантовые компьютеры недостаточно мощны. В долгосрочной перспективе алгоритм, разработанный физиком Ловом Гровером в 1996 году, также в Bell Labs, может стать самым веским коммерческим аргументом в пользу квантового компьютера. Он предоставляет рецепт, следуя которому, квантовый компьютер сможет радикально ускорить получение огромных объемов информации и поиск среди ее массивов.
Рассмотрим пример базы данных библиотеки со списком ее содержимого. Поиск в ней конкретной книги на классическом компьютере займет время, пропорциональное числу книг n; с помощью алгоритма Гровера для квантового компьютера оно будет прямо пропорционально √n. Для библиотеки с миллионом книг процесс пройдет в 1000 раз быстрее. Возможности такого алгоритма имеют повсеместное применение: почти все вычислительно сложные проблемы, например задача про путешествие торговца, который должен найти кратчайший маршрут по определенному числу городов, в конечном итоге сводятся к поиску оптимального решения. Однако для реализации этих блестящих перспектив придется сделать кое-что еще.
В 1997 году Дэвид Ди Винченцо из IBM определил жесткий, хотя и не исчерпывающий список некоторых необходимых требований, которым должен соответствовать любой практичный квантовый компьютер.
• Масштабируемость
Чтобы превзойти классический компьютер, квантовый должен справляться с сотнями кубитов, включая запутывание и управление. Квантовые компьютеры, построенные до настоящего времени, осиливают только несколько. Масштабируемость представляет собой серьезное препятствие: чем больше система, тем сильнее она склонна «декогерировать» в условиях окружающих шумов, теряя необходимый квантовый характер.
• Инициализация
Мы должны быть способны надежно зафиксировать все кубиты в одном состоянии (скажем, в состоянии нуля) в начале вычислений.
• Когерентность
Время до начала декогеренции должно быть намного больше времени включения квантового логического элемента – желательно, в несколько десятков раз. В большинстве практических реализаций, которые были выполнены к настоящему времени, это требовало рабочую температуру, близкую к абсолютному нулю, для ограничения эффектов интерференции с окружающей средой.
• Точность
Результаты операций должны точно воспроизводиться кубитом, даже при осуществлении множества последовательных операций.
• Стабильная память
Должен быть обеспечен надежный способ установления состояния кубита, поддержки его в том состоянии и его последующего сброса.
Решение числовых задач
Как и остальные квантовые хитрости, перспективы квантовых компьютеров опираются в основном на два алгоритма. Один, разработанный в 1994 году Питером Шором, работавшим тогда в Bell Labs, позволяет квантовому компьютеру быстро находить простые множители больших чисел (см. интервью ниже в этой главе). Классические компьютеры фактически должны поочередно разделить данное число на все простые множители (2, 3, 5, 7, 11 и т. д.), тогда как квантовые могут производить все эти деления одновременно. Обычные методы шифровки основываются на том, что классические компьютеры не могут эффективно раскладывать на простые множители.
Если бы алгоритм Шора реализовали на практике в глобальных масштабах, то зашифрованная информация, например пин-код вашей банковской карты, стала бы уязвима для взлома – и квантовая криптография была бы единственной реальной защитой (см. ниже в этой главе). Пока что волноваться рано, поскольку квантовые компьютеры недостаточно мощны. В долгосрочной перспективе алгоритм, разработанный физиком Ловом Гровером в 1996 году, также в Bell Labs, может стать самым веским коммерческим аргументом в пользу квантового компьютера. Он предоставляет рецепт, следуя которому, квантовый компьютер сможет радикально ускорить получение огромных объемов информации и поиск среди ее массивов.
Рассмотрим пример базы данных библиотеки со списком ее содержимого. Поиск в ней конкретной книги на классическом компьютере займет время, пропорциональное числу книг n; с помощью алгоритма Гровера для квантового компьютера оно будет прямо пропорционально √n. Для библиотеки с миллионом книг процесс пройдет в 1000 раз быстрее. Возможности такого алгоритма имеют повсеместное применение: почти все вычислительно сложные проблемы, например задача про путешествие торговца, который должен найти кратчайший маршрут по определенному числу городов, в конечном итоге сводятся к поиску оптимального решения. Однако для реализации этих блестящих перспектив придется сделать кое-что еще.
Компьютерная аппаратура
Существует множество вариаций подготовки кубитов для квантового компьютера – от поляризации света или охлаждения атомов до подавления коллективного движения электронов. Но кубиты должны соответствовать некоторым жестким критериям, особенно в части подтверждения своей надежности, или «когерентности», к поражению со стороны окружающей классической среды. Ни один из сортов кубитов так и не собрал все галочки по чек-листу «готовности». Самыми долгоживущими оказались сверхпроводящие кубиты, но имеется и ультрахолодная новинка – спин, а также несколько неожиданных вариантов, речь о которых пойдет ниже.
Сверхпроводящие кубиты
Предвестник всех технологий квантовых компьютеров появился в 1962 году, когда Брайан Джозефсон продемонстрировал удивительный эффект в результате создания небольшого зазора в полосе сверхпроводника – материала с нулевым сопротивлением к потоку электронов при низких температурах. Например, сверхпроводящие цепи, включающие такое «джозефсоновское соединение», позволяют току течь по часовой стрелке и против нее одновременно. Это суперпозиция состояний – как раз то, что нужно для кубита. Более того, эти системы производятся из главного материала электронных технологий – кремния.
Сверхпроводящие квантовые интерферометры (СКВИДы, от англ. SQUID – Superconducting Quantum Interference Devices) уже используют этот эффект для проведения невероятно чувствительных измерений электромагнитных полей. Но движения электронов и состояния магнитных полей внутри СКВИДов могут также управляться с помощью внешних полей для образования битов квантового логического устройства. Кубиты СКВИДов предлагают хорошую инициализацию и время декогеренции, примерно в десять раз превышающие требуемые для включения логического элемента. Однако при большом числе кубитов нагрев вследствие использования для управления внешних полей становится проблемой.
В 2011 году компания D-Wave Systems, расположенная в Бернаби (Британская Колумбия, Канада), заявила о разработке 128-кубитного компьютера, а впоследствии и еще более мощного. Последний, объявленный в январе 2017 года (см. также ниже в параграфе «Не хотите один прямо сейчас?»), – это D-Wave 2000Q с 2000 кубитов; но все еще открыт вопрос, является ли это устройство полностью квантовым. У компании IBM уже есть 5-кубитный сверхпроводящий компьютер, способный производить квантовые вычисления, и он подключен к Интернету для внешнего использования. Компания Google обладает 9-кубитным компьютером и в ближайшем будущем надеется приобрести 49-кубитный (с использованием сетки 7x7 кубитов).
Спиновые кубиты
Одними из первых исследованных кубитов были спиновые состояния ядер, управляемые с использованием магнитных полей. Большим преимуществом спиновых состояний является то, что они составляют кубиты при комнатной температуре, хотя и с очень низкой точностью инициализации – порядка один на миллион. Но эффект теплового шума, разрушающий запутанность, означает, что компьютеры на спинах ядер ограничены 20 кубитами, прежде чем их сигнал станет размытым. Одна разновидность спинового оформления использует примеси азота в практически идеальной кристаллической решетке алмаза (угля). С их помощью вводятся электроны, спины которых управляются электрическим или магнитным полем, а также с помощью света, но увеличение до чего-то большего, чем пара спинов, оказалось слишком трудоемким.
Квантовые вычисления на ионных ловушках
Захват ионов – один из наиболее развитых методов изготовления кубитов для квантового компьютера. Положительно заряженные ионы ловятся электромагнитным полем и охлаждаются примерно до нанокельвина, чтобы уменьшить их колебания и ограничить декогеренцию. Затем информация кодируется энергетическими уровнями ионов и управляется лазерным светом. За счет этого достигаются успешная инициализация (99,99% случаев), точность (около 99% случаев) и устойчивое многолетнее хранение памяти.
В 1995 году Дэвид Уайнленд и его коллеги из Национального института стандартов и технологий в Боулдере (Колорадо) использовали захваченные ионы для создания первого квантового логического вентиля – управляемого НЕ (C-NOT) для распутывания запутанных ионов. В 2011 году физики из Инсбрукского университета разработали 6-кубитный квантовый симулятор на ионной ловушке, модель которого была предложена в 1981 году Ричардом Фейнманом. А в 2016 году физики из Национального института стандартов и технологий в Боулдере захватили рекордные 219 ионов бериллия и запутали их квантовые свойства лазерами. Декогеренция и масштабирование остаются, однако, взаимосвязанными проблемами.
Квантовые вычисления на фотонах
Фотоны выглядят как хорошие будущие кубиты: они легко входят в суперпозицию и остаются когерентными в течение достаточно длительного времени. Положение, поляризацию или даже просто число фотонов в данной области пространства можно использовать для кодирования кубита. Хотя инициализация их состояний проста, фотоны довольно верткие: их легко потерять, и они не слишком тесно взаимодействуют друг с другом. Это делает их хорошим инструментом передачи квантовой информацией, но для ее хранения надо отпечатать фотонные состояния на чем-то более долгоживущем, например на энергетическом уровне атома.
Если у нас все получится, то это подтвердит перспективность квантовых вычислений с помощью фотонов, в том числе и потому, что их обработка может быть выполнена при комнатной температуре. В 2012 году группа из Венского университета использовала четыре запутанных фотона для проведения первых «слепых» квантовых вычислений. Пользователь посылает закодированную квантовым образом информацию удаленному компьютеру, который «не видит», что именно вычисляется. В будущем это может стать парадигмой – полностью защищенные квантовые вычисления в «облаке». Продолжают ставиться новые рекорды по самому большому числу запутанных фотонов: в 2016 году, например, группа из Университета науки и технологий Китая разработала лазерную систему, которая запутала сразу десять одиночных фотонов.
Холодные атомы
Скопления многих сотен атомов могут стать хорошими кубитами, если их захватить, охладить и упорядочить с использованием лазера в двумерный массив, известный как «оптическая решетка». Энергетические состояния этих атомов могут кодировать информацию, которой можно управлять с помощью дополнительных лазеров, как захваченными ионами. Мы овладели основными методами, но для создания реального квантового компьютера из холодных атомов требуется установить надежную запутанность скоплений этих холодных тел.
Атомно-световые гибриды
Электродинамика резонаторов – это подход квантовых вычислений, целью которого является объединение неподвижных холодных атомов с проворными фотонами. Свет захватывается внутри резонатора микронных размеров, а атомы запускаются через него с выполнением логических операций через взаимодействия атомов и фотонов.
Инициализация атомов демонстрирует высокую эффективность, а декогеренция допускает выполнение около десяти операций с логическими элементами – но масштабирование технологии возможно только после разработки надежных способов запутывания захваченных холодных атомов. Серж Арош из Коллеж де Франс в Париже (Франция), один из пионеров электродинамики резонаторов, разделил Нобелевскую премию по физике 2012 года с исследователем захваченных ионов Дэвидом Уайнлендом.
Топологические квантовые вычисления
В этой методике кубиты кодируются тем, как субатомные частицы движутся относительно друг друга. Однако этой многообещающей основе для квантового компьютера еще предстоит сойти с теоретической чертежной доски, поскольку она зависит от существования частиц, ограниченных двумя измерениями и называемых анионами[2]. Эти «топологические» частицы необыкновенно невосприимчивы к окружающему шуму, что делает их отличными кубитами. Частицы, такие как фермионы Майораны, которые соответствуют некоторым требованиям анионов, были изготовлены в определенных твердых телах, но все же остается спорным, принесут ли они пользу практическим квантовым вычислениям.
Дополнительные выгоды
Помимо невероятной вычислительной мощности, квантовые компьютеры предлагают много других выгод, основной из которых является экономия. За последние десятилетия мы преуспели в набивании классических компьютерных микросхем все бóльшим и бóльшим числом транзисторов. Но плотность потока тепла, выделяемого в результате постоянного обнуления этих физических выключателей, сейчас представляет собой фундаментальный барьер для дальнейшей миниатюризации. Квантовые вычисления могут обойти этот барьер.
Это связано с тем, что за счет правильных манипуляций можно переключаться между квантовыми состояниями, например поляризациями фотонов, без какого-либо потребления тепла. И все же это не дает карт-бланш маломощным вычислениям. Чтение и запись информации в квантовую память предполагают проведение измерений, подобных щелканью классическим выключателем, так что по-прежнему будет выделяться некоторое тепло.
Другая выгода, предлагаемая квантовыми вычислениями, – это способность справляться с так называемыми сложными задачами. Специалисты в области теории вычислительных машин и их систем условно разделяют задачи на «простые» и «сложные». При выполнении простых задач вычислительные ресурсы, необходимые для поиска решения, пропорциональны степени числа используемых переменных, в сложных же необходимость в ресурсах растет по более крутой экспоненциальной кривой. Сложные задачи быстро выходят за пределы досягаемости классическими компьютерами. Экспоненциально возрастающая мощность квантовых компьютеров может дать больше огневой силы, делая задачи не совсем простыми, но, по крайней мере, менее сложными.
Однако квантовое ускорение не является данностью: сперва нам нужен особый алгоритм, который поможет его достичь. Для важных сложных задач, например разложения больших чисел на множители или поиска в базе данных, у нас уже есть решения, в частности алгоритмы Шора и Гровера (см. параграф «Сногсшибательные приложения для квантовых компьютеров»). Но при выполнении бытовой задачи вроде перечисления всех элементов базы данных время или мощность, требуемые для ее решения, всегда будут прямо пропорциональны числу элементов и не дадут ощутимого квантового ускорения.
К сожалению, эти выгоды предполагают изменение реальной ситуации, для чего требуется достаточно большой квантовый компьютер, но сейчас о нем легче говорить, чем сделать.
Существует множество вариаций подготовки кубитов для квантового компьютера – от поляризации света или охлаждения атомов до подавления коллективного движения электронов. Но кубиты должны соответствовать некоторым жестким критериям, особенно в части подтверждения своей надежности, или «когерентности», к поражению со стороны окружающей классической среды. Ни один из сортов кубитов так и не собрал все галочки по чек-листу «готовности». Самыми долгоживущими оказались сверхпроводящие кубиты, но имеется и ультрахолодная новинка – спин, а также несколько неожиданных вариантов, речь о которых пойдет ниже.
Сверхпроводящие кубиты
Предвестник всех технологий квантовых компьютеров появился в 1962 году, когда Брайан Джозефсон продемонстрировал удивительный эффект в результате создания небольшого зазора в полосе сверхпроводника – материала с нулевым сопротивлением к потоку электронов при низких температурах. Например, сверхпроводящие цепи, включающие такое «джозефсоновское соединение», позволяют току течь по часовой стрелке и против нее одновременно. Это суперпозиция состояний – как раз то, что нужно для кубита. Более того, эти системы производятся из главного материала электронных технологий – кремния.
Сверхпроводящие квантовые интерферометры (СКВИДы, от англ. SQUID – Superconducting Quantum Interference Devices) уже используют этот эффект для проведения невероятно чувствительных измерений электромагнитных полей. Но движения электронов и состояния магнитных полей внутри СКВИДов могут также управляться с помощью внешних полей для образования битов квантового логического устройства. Кубиты СКВИДов предлагают хорошую инициализацию и время декогеренции, примерно в десять раз превышающие требуемые для включения логического элемента. Однако при большом числе кубитов нагрев вследствие использования для управления внешних полей становится проблемой.
В 2011 году компания D-Wave Systems, расположенная в Бернаби (Британская Колумбия, Канада), заявила о разработке 128-кубитного компьютера, а впоследствии и еще более мощного. Последний, объявленный в январе 2017 года (см. также ниже в параграфе «Не хотите один прямо сейчас?»), – это D-Wave 2000Q с 2000 кубитов; но все еще открыт вопрос, является ли это устройство полностью квантовым. У компании IBM уже есть 5-кубитный сверхпроводящий компьютер, способный производить квантовые вычисления, и он подключен к Интернету для внешнего использования. Компания Google обладает 9-кубитным компьютером и в ближайшем будущем надеется приобрести 49-кубитный (с использованием сетки 7x7 кубитов).
Спиновые кубиты
Одними из первых исследованных кубитов были спиновые состояния ядер, управляемые с использованием магнитных полей. Большим преимуществом спиновых состояний является то, что они составляют кубиты при комнатной температуре, хотя и с очень низкой точностью инициализации – порядка один на миллион. Но эффект теплового шума, разрушающий запутанность, означает, что компьютеры на спинах ядер ограничены 20 кубитами, прежде чем их сигнал станет размытым. Одна разновидность спинового оформления использует примеси азота в практически идеальной кристаллической решетке алмаза (угля). С их помощью вводятся электроны, спины которых управляются электрическим или магнитным полем, а также с помощью света, но увеличение до чего-то большего, чем пара спинов, оказалось слишком трудоемким.
Квантовые вычисления на ионных ловушках
Захват ионов – один из наиболее развитых методов изготовления кубитов для квантового компьютера. Положительно заряженные ионы ловятся электромагнитным полем и охлаждаются примерно до нанокельвина, чтобы уменьшить их колебания и ограничить декогеренцию. Затем информация кодируется энергетическими уровнями ионов и управляется лазерным светом. За счет этого достигаются успешная инициализация (99,99% случаев), точность (около 99% случаев) и устойчивое многолетнее хранение памяти.
В 1995 году Дэвид Уайнленд и его коллеги из Национального института стандартов и технологий в Боулдере (Колорадо) использовали захваченные ионы для создания первого квантового логического вентиля – управляемого НЕ (C-NOT) для распутывания запутанных ионов. В 2011 году физики из Инсбрукского университета разработали 6-кубитный квантовый симулятор на ионной ловушке, модель которого была предложена в 1981 году Ричардом Фейнманом. А в 2016 году физики из Национального института стандартов и технологий в Боулдере захватили рекордные 219 ионов бериллия и запутали их квантовые свойства лазерами. Декогеренция и масштабирование остаются, однако, взаимосвязанными проблемами.
Квантовые вычисления на фотонах
Фотоны выглядят как хорошие будущие кубиты: они легко входят в суперпозицию и остаются когерентными в течение достаточно длительного времени. Положение, поляризацию или даже просто число фотонов в данной области пространства можно использовать для кодирования кубита. Хотя инициализация их состояний проста, фотоны довольно верткие: их легко потерять, и они не слишком тесно взаимодействуют друг с другом. Это делает их хорошим инструментом передачи квантовой информацией, но для ее хранения надо отпечатать фотонные состояния на чем-то более долгоживущем, например на энергетическом уровне атома.
Если у нас все получится, то это подтвердит перспективность квантовых вычислений с помощью фотонов, в том числе и потому, что их обработка может быть выполнена при комнатной температуре. В 2012 году группа из Венского университета использовала четыре запутанных фотона для проведения первых «слепых» квантовых вычислений. Пользователь посылает закодированную квантовым образом информацию удаленному компьютеру, который «не видит», что именно вычисляется. В будущем это может стать парадигмой – полностью защищенные квантовые вычисления в «облаке». Продолжают ставиться новые рекорды по самому большому числу запутанных фотонов: в 2016 году, например, группа из Университета науки и технологий Китая разработала лазерную систему, которая запутала сразу десять одиночных фотонов.
Холодные атомы
Скопления многих сотен атомов могут стать хорошими кубитами, если их захватить, охладить и упорядочить с использованием лазера в двумерный массив, известный как «оптическая решетка». Энергетические состояния этих атомов могут кодировать информацию, которой можно управлять с помощью дополнительных лазеров, как захваченными ионами. Мы овладели основными методами, но для создания реального квантового компьютера из холодных атомов требуется установить надежную запутанность скоплений этих холодных тел.
Атомно-световые гибриды
Электродинамика резонаторов – это подход квантовых вычислений, целью которого является объединение неподвижных холодных атомов с проворными фотонами. Свет захватывается внутри резонатора микронных размеров, а атомы запускаются через него с выполнением логических операций через взаимодействия атомов и фотонов.
Инициализация атомов демонстрирует высокую эффективность, а декогеренция допускает выполнение около десяти операций с логическими элементами – но масштабирование технологии возможно только после разработки надежных способов запутывания захваченных холодных атомов. Серж Арош из Коллеж де Франс в Париже (Франция), один из пионеров электродинамики резонаторов, разделил Нобелевскую премию по физике 2012 года с исследователем захваченных ионов Дэвидом Уайнлендом.
Топологические квантовые вычисления
В этой методике кубиты кодируются тем, как субатомные частицы движутся относительно друг друга. Однако этой многообещающей основе для квантового компьютера еще предстоит сойти с теоретической чертежной доски, поскольку она зависит от существования частиц, ограниченных двумя измерениями и называемых анионами[2]. Эти «топологические» частицы необыкновенно невосприимчивы к окружающему шуму, что делает их отличными кубитами. Частицы, такие как фермионы Майораны, которые соответствуют некоторым требованиям анионов, были изготовлены в определенных твердых телах, но все же остается спорным, принесут ли они пользу практическим квантовым вычислениям.
Дополнительные выгоды
Помимо невероятной вычислительной мощности, квантовые компьютеры предлагают много других выгод, основной из которых является экономия. За последние десятилетия мы преуспели в набивании классических компьютерных микросхем все бóльшим и бóльшим числом транзисторов. Но плотность потока тепла, выделяемого в результате постоянного обнуления этих физических выключателей, сейчас представляет собой фундаментальный барьер для дальнейшей миниатюризации. Квантовые вычисления могут обойти этот барьер.
Это связано с тем, что за счет правильных манипуляций можно переключаться между квантовыми состояниями, например поляризациями фотонов, без какого-либо потребления тепла. И все же это не дает карт-бланш маломощным вычислениям. Чтение и запись информации в квантовую память предполагают проведение измерений, подобных щелканью классическим выключателем, так что по-прежнему будет выделяться некоторое тепло.
Другая выгода, предлагаемая квантовыми вычислениями, – это способность справляться с так называемыми сложными задачами. Специалисты в области теории вычислительных машин и их систем условно разделяют задачи на «простые» и «сложные». При выполнении простых задач вычислительные ресурсы, необходимые для поиска решения, пропорциональны степени числа используемых переменных, в сложных же необходимость в ресурсах растет по более крутой экспоненциальной кривой. Сложные задачи быстро выходят за пределы досягаемости классическими компьютерами. Экспоненциально возрастающая мощность квантовых компьютеров может дать больше огневой силы, делая задачи не совсем простыми, но, по крайней мере, менее сложными.
Однако квантовое ускорение не является данностью: сперва нам нужен особый алгоритм, который поможет его достичь. Для важных сложных задач, например разложения больших чисел на множители или поиска в базе данных, у нас уже есть решения, в частности алгоритмы Шора и Гровера (см. параграф «Сногсшибательные приложения для квантовых компьютеров»). Но при выполнении бытовой задачи вроде перечисления всех элементов базы данных время или мощность, требуемые для ее решения, всегда будут прямо пропорциональны числу элементов и не дадут ощутимого квантового ускорения.
К сожалению, эти выгоды предполагают изменение реальной ситуации, для чего требуется достаточно большой квантовый компьютер, но сейчас о нем легче говорить, чем сделать.
Начало квантовой обработки информации
1981
Физик Ричард Фейнман утверждает, что моделирование корреляций и взаимодействий частиц в сложных задачах квантовой физики может быть осуществлено только универсальным квантовым симулятором, использующим те же самые свойства.
1982
Теорема о невозможности клонирования угрожает надеждам на квантовые вычисления. Она утверждает, что квантовые биты нельзя копировать, так что нет возможности резервировать информацию. Тем не менее это также является преимуществом: перехват данных становится невероятно трудным, что обеспечивает безопасность квантовой передачи информации.
1984
Чарльз Беннетт из компании IBM и Жиль Брассар из Монреальского университета (Канада) разрабатывают BB84 – первое решение безопасного шифрования и передачи информации квантовыми состояниями.
1985
Дэвид Дойч из Оксфордского университета демонстрирует теоретическую схему универсального квантового компьютера, который может имитировать классические логические элементы и выполнять все функции квантовой логики.
1992
Теория квантового сверхплотного кодирования показывает, как отправитель и получатель могут обмениваться двумя классическими битами информации, деля только одну запутанную пару квантовых состояний.
1993
В действительности вам вовсе не нужно передавать квантовые состояния, чтобы использовать их возможности: протоколы квантовой телепортации доказывают, что обладание запутанными квантовыми состояниями и сообщение эффективны и при использовании классических битов.
1994
Алгоритм Шора показывает, что квантовый компьютер может разложить число на множители быстрее, чем любой классический.
1995
Американский физик Бенджамин Шумахер вводит термин «кубит» для квантового бита.
1996
Алгоритм Гровера дает решение, благодаря которому квантовый компьютер может обогнать по производительности классические при выполнении крайне распространенной задачи – найти элемент в неотсортированной базе данных.
1996
Квантовая теория исправления ошибок наконец решает проблему запрета клонирования. Квантовая информация не может быть скопирована – но она может быть распространена по многим кубитам. На основе этого были созданы главные теоретические инструменты обработки квантовой информации. Трудностью тогда было создание соответствующих технологий.
Дэвид Дойч – профессор физики Центра квантовых вычислений Оксфордского университета. В 1998 году он был награжден премией и медалью Поля Дирака от Института физики, а в 2005 году удостоен премии в области компьютерных наук за работу, расширившую границы идеи вычислений. В 1985 году Дойч в корне изменил физику описанием универсального квантового компьютера, став первопроходцем квантовой информатики. Он объясняет, как она связана с понятиями истины и реальности в нашей Вселенной – и даже за ее пределами.
– Когда Вы опубликовали свою статью по квантовым вычислениям, какова была реакция общественности?
– Люди не восприняли ее как новый способ мышления. Потребовалось несколько лет, чтобы физическое сообщество начало работать над квантовыми вычислениями. Конечно, была небольшая группа тех, кто сразу понял ее важность, но область начала развиваться лишь несколько лет спустя.
– Что мотивировало Вас на работу над квантовыми вычислениями?
– Было желание понять основу квантовой теории, основу физики, основу всего. Базовые постулаты одной области имеют тенденцию к пересечению с постулатами других. Квантовые вычисления, например, имеют последствия не только для основы квантовой теории, но также и для основы физики в целом, а также для математики и философии.
– Как квантовые вычисления пролили свет на существование многих миров?
– Скажем, мы решили разложить на множители целое число с 10 000 цифрами – произведение двух больших простых чисел. Это число не может быть выражено как произведение множителей любым мыслимым классическим компьютером. Даже если бы вы взяли все вещество наблюдаемой Вселенной, превратили его в компьютер, а потом запустили этот компьютер на время, равное возрасту Вселенной, он бы не приблизился и к началу решения этой задачи. Но квантовый компьютер легко может разложить это число на множители за минуты или даже секунды. Как такое может случиться?
Любой, кто не является солипсистом, должно быть, скажет, что ответ дает некоторый физический процесс. Мы знаем, что в этой Вселенной нет достаточной вычислительной мощности, чтобы получить ответ, так что происходит что-то большее, чем мы можем непосредственно видеть. В таком случае становится вполне закономерным принятие многомировой структуры. Количество вычислительных подпроцессов неизмеримо больше, чем атомов в наблюдаемой Вселенной. Потом они объединяют свои результаты для получения ответа. Каждый, кто отрицает существование параллельных вселенных, должен в таком случае объяснить, как работает этот процесс разложения на множители.
Не хотите один прямо сейчас?
Не терпится заполучить новый блестящий квантовый компьютер? Тогда у нас есть хорошая новость – уже сегодня вы можете купить один, если у вас в запасе хотя бы 10 миллионов долларов.
Компания D-Wave Systems, расположенная в Бернаби (Канада), – новичок, вторгшийся в область квантовых разработок. В число ее покупателей входят Google и NASA. Ее флагманская модель, запущенная в производство в январе 2017 года, известна под названием D-Wave 2000 Q и содержит решетку из мельчайших сверхпроводящих цепей из металла ниобия, каждая из которых составляет один кубит. В ней содержится вплоть до 2048 кубитов и используется 128 000 джозефсоновских соединений. Но имейте в виду – это не квантовый ноутбук. Этот инновационный черный ящик, вмещающий в себя суперкомпьютер, вместе с обслуживающей криогенной системой и интерфейсом занимает целую комнату. Как это ни удивительно, но он работает всего лишь на 25 киловаттах – малой доле от мощности, потребляемой самыми быстрыми суперкомпьютерами мира.
Полная 2000-кубитная производительность значительно превысит имеющуюся у конкурентов, и испытания показывают, что эта новая машина D-Wave Systems превосходит классическую по времени, занимаемому чистыми вычислениями, в 1000–10 000 раз. Но тесты ее предшественника, D-Wave 2X, оказались неубедительными, и были серьезные сомнения, действительно ли он опережает по производительности обычные компьютеры.
В августе 2015 года D-Wave Systems объявила, что ее D-Wave 2X почти в 15 раз быстрее, чем обычные ПК. Она показала компьютер на деле с помощью набора тестов, основанных на решении задач со случайными перестановками: к примеру, компьютеру нужно было собирать самую лучшую футбольную команду из списка игроков с разными способностями, каждый из которых работает лучше или хуже с тем или иным партнером. В сравнении со специализированными оптимизационными программами, работающими на обычном ПК, 2X находил ответ в 2–15 раз быстрее. Но критики говорят, что такое сравнение не объективно.
D-Wave 2X имеет только одно применение – выполнение алгоритма оптимизации, вычисляющего лучшее решение данной проблемы. Тем не менее этого достаточно для первых двух покупателей D-Wave Systems. Google использует его в машинном обучении, а корпорация Lockheed Martin с его помощью ищет ошибки в работе своего программного обеспечения для бортовых систем.
Сногсшибательные приложения для квантовых компьютеров
Квантовые компьютеры за счет своих способностей имеют большой потенциал и, очевидно, не испытывают дефицита в областях возможного применения. Вот их краткий список.
Супернадежное шифрование
Эта квантово-информационная технология уже вовсю применяется в коммуникациях. Различные небольшие системы квантовой криптографии для надежной передачи информации, в основном использующие в качестве кубитов поляризованные фотоны, были реализованы такими компаниями и лабораториями, как Toshiba, Hewlett Packard, IBM и Mitsubishi. В октябре 2007 года система квантовой криптографии, созданная Николасом Гисиным и его коллегами в Женевском университете, была использована для безопасной передачи голосов из центрального избирательного участка в офис подсчета во время федеральных выборов в Швейцарии. Подобная система голосования, разработанная научно-производственной фирмой ID Quantique, была использована для безопасной передачи данных во время проведения чемпионата мира по футболу в 2010 году в Южной Африке.
Расстояние, на которое квантовые состояния могут быть переданы по оптоволоконным кабелям, ограничено десятками километров из-за случайной диффузии. Один многообещающий способ обойти это подобен протоколам исправления ошибок для квантовых компьютеров и заключается в распространении информации по нескольким кубитам. Но это представляет угрозу безопасности, давая больше информации возможному перехватчику.
Альтернативой является передача по воздуху. Мировой рекорд полноценной телепортации одного кубита информации, установленный Антоном Цайлингером и его коллегами из Венского университета, составил 143 километра – расстояние между о. Пальма и Тенерифе, входящими в архипелаг Канарских островов. Это означает, что хрупкие квантовые состояния могут быть переданы на значительные расстояния по воздуху без искажений – и намекает на то, что всемирная надежная квантовая сеть, использующая спутники, реально возможна.
В августе 2016 года в Китае был запущен первый спутник квантовой связи для проверки технологии, которая однажды может стать частью защищенной от взлома сети. Она будет использовать фотоны для проверки распространения квантовых ключей.
Квантовые компьютеры за счет своих способностей имеют большой потенциал и, очевидно, не испытывают дефицита в областях возможного применения. Вот их краткий список.
Супернадежное шифрование
Эта квантово-информационная технология уже вовсю применяется в коммуникациях. Различные небольшие системы квантовой криптографии для надежной передачи информации, в основном использующие в качестве кубитов поляризованные фотоны, были реализованы такими компаниями и лабораториями, как Toshiba, Hewlett Packard, IBM и Mitsubishi. В октябре 2007 года система квантовой криптографии, созданная Николасом Гисиным и его коллегами в Женевском университете, была использована для безопасной передачи голосов из центрального избирательного участка в офис подсчета во время федеральных выборов в Швейцарии. Подобная система голосования, разработанная научно-производственной фирмой ID Quantique, была использована для безопасной передачи данных во время проведения чемпионата мира по футболу в 2010 году в Южной Африке.
Расстояние, на которое квантовые состояния могут быть переданы по оптоволоконным кабелям, ограничено десятками километров из-за случайной диффузии. Один многообещающий способ обойти это подобен протоколам исправления ошибок для квантовых компьютеров и заключается в распространении информации по нескольким кубитам. Но это представляет угрозу безопасности, давая больше информации возможному перехватчику.
Альтернативой является передача по воздуху. Мировой рекорд полноценной телепортации одного кубита информации, установленный Антоном Цайлингером и его коллегами из Венского университета, составил 143 километра – расстояние между о. Пальма и Тенерифе, входящими в архипелаг Канарских островов. Это означает, что хрупкие квантовые состояния могут быть переданы на значительные расстояния по воздуху без искажений – и намекает на то, что всемирная надежная квантовая сеть, использующая спутники, реально возможна.
В августе 2016 года в Китае был запущен первый спутник квантовой связи для проверки технологии, которая однажды может стать частью защищенной от взлома сети. Она будет использовать фотоны для проверки распространения квантовых ключей.
Квантовые симуляции
Изначально мотивация Ричарда Фейнмана на размышления о квантовых компьютерах в 1981 году состояла в том, что они будут эффективней классических компьютеров в моделировании квантовых систем, в том числе собственных. Это звучит не слишком впечатляюще, но многие из самых досаждающих научных практических проблем, например вопрос того, что именно заставляет сверхпроводники проводить без сопротивления или магниты обладать магнитными свойствами, сложно, а зачастую даже невозможно решить с помощью классических компьютеров.
Теоретики квантовой информации уже разработали замысловатые алгоритмы для аппроксимации сложных квантовых систем, состоящих из множества частиц, предвосхищая появление квантовых компьютеров, обладающих достаточной мощностью для работы с ними. Прелесть в том, что такие симуляторы не будут ограничены существующей физикой: мы также можем использовать их, чтобы получить информацию о еще не изученных явлениях. Квантовые симуляции могут рассказать нам, где, скажем, лучше всего искать в природе частицы Майораны, находящиеся, например, в сложных многочастичных сверхпроводящих состояниях. Считается, что эти частицы являются античастицами сами себе и имеют свойства, которые могли бы сделать их идеальным инструментом для создания добротной квантовой памяти. Это открывает любопытную возможность – использовать квантовые компьютеры, чтобы предложить еще более мощные квантовые компьютеры.
Метрология
Выполнение точных измерений – потенциально одна из наиболее значимых сфер применения квантовых компьютеров. Эффекты классического шума при фиксации чувствительных измерений физических величин, например интервалов времени или расстояний, означают, что лучшая статистическая точность, которую мы можем достичь, растет с квадратным корнем числа битов, используемых для записи.
Между тем квантовая неопределенность определяется принципом неопределенности Гейзенберга и быстро улучшается с ростом числа проделанных измерений. Посредством кодирования расстояний и временных интервалов с использованием квантовой информации – измеряя их, например, поляризованными фотонами лазера – можно достичь намного большей точности.
Этот принцип уже применялся в гигантских интерферометрах, в которых используются отклонения лазерных пучков километровой длины для детектирования неуловимых гравитационных волн, предсказанных теорией относительности Эйнштейна, например детекторами LIGO в Ливингстоне (штат Луизиана) и Хэнфорде (штат Вашингтон). В этих случаях мы можем рассматривать гравитацию как шум, возмущающий кубиты, в роли которых выступают положение и импульс фотонов от лазера. Измеряя эти возмущения, мы можем оценить интенсивность волн.
Мы еще не приехали?
Ни один обзор квантовых компьютеров не будет полным без попытки ответить на вопрос стоимостью в 64 000 долларов (или даже гораздо большей): возможно ли, что мы увидим работающие квантовые компьютеры в наших домах, офисах и руках в ближайшее время? Ответ напрямую зависит от результатов поиска среды, способной кодировать и обрабатывать от 10 до 20 кубитов, которыми могут управлять имеющиеся технологии. Но достижение нескольких сотен кубитов, необходимое для опережения классических компьютеров, – во многом скорее техническая сложность. За пару десятилетий, с учетом прогресса в охлаждении и захвате, а также в сочетании со светом, от существующих технологий захваченных ионов и холодных атомов можно добиться необходимой стабильности в достаточно больших количествах для достижения действенных квантовых вычислений.
Первые крупномасштабные квантовые компьютеры, скорее всего, буквально такими и будут – крупномасштабными. Вложения в эту область существенно возросли за последние годы, и даже скептики сегодня говорят о крупномасштабных квантовых вычислениях как о неизбежном этапе развития, который, возможно, принесет свои плоды в следующие пять-десять лет. Эти системы, вероятно, будут управлять кубитами с помощью лазеров, и им потребуется сверхохлаждение, так что вряд ли они появятся в наших домах. Но если будущее большей части вычислений – это централизованные удаленные хранилища данных, возможно, эта необходимость не будет сильно мешать.
Когда появится что-то поменьше, следующей проблемой станет запутанность, являющаяся хрупкой драгоценностью и в более благоприятных условиях, поддерживать которую с ростом квантовой системы будет все сложнее и сложнее. Стало бы гораздо проще достичь прогресса в квантовых вычислениях, если бы наша убежденность в критической необходимости и центральном месте в таких вычислениях запутанных состояний оказалась ошибочной. Идея такой возможности появилась в 1998 году с разработкой «однокубитных» алгоритмов. Они могут решать широкий класс задач, включая разложение на множители по алгоритму Шора, и не требуют многих запутанных кубитов. Практическое осуществление такой технологии стало бы удивительно ловким приемом – однако исключительно важный алгоритм поиска по базе данных Гровера на ее основе реализовать невозможно.
Бытует мнение, что хрупкость квантовых систем не позволит нам осуществлять квантовые вычисления в таких крупномасштабных, шумных, теплых и сырых средах, в которых работаем мы, люди. Вопреки этому, надежду на их реализацию нам дают недавние свидетельства того, что живые системы, например фотосинтез у бактерии или аппарат магнитной навигации в сетчатке у птиц, используют некую простую обработку квантовой информации для повышения собственной эффективности (подробнее об этом см. в главе 6).
Если мы сможем раскрыть эти секреты, квантовый компьютер на каждом рабочем столе и на ладони каждой руки больше не покажется таким фантастическим.
Квантовые коммуникации
Сегодня криптографические системы находятся в довольно неустойчивом состоянии. Безопасность всех наших онлайн-закупок, банковских трансакций и аккаунтов основывается на шатком допущении, что эти конкретные математические операции трудновыполнимы. Наиболее известная из современных шифровальных систем называется алгоритмом RSA. Для шифрования данных она создает ключ из двух очень больших простых чисел. Они держатся в секрете, но их произведение – число длиной в тысячи двоичных цифр – известно всем. Данные могут быть зашифрованы с использованием этого открытого ключа, но расшифровать их можно, только зная его исходные числа. Безопасность RSA основывается на отсутствии известного простого способа найти два начальных числа. Существующие методы представляют собой почти бесконечные процессы, например подбор всех возможных вариантов по очереди.
Во всяком случае, мы на это надеемся. В настоящее время ни один классический компьютер не способен быстро решить эту задачу «в лоб», но все может измениться, особенно если крупномасштабные, по-настоящему квантовые компьютеры будут запущены в работу. Одним из способов дать новую жизнь нашей безопасности является использование квантовой криптографии. Она обещает возможность создания абсолютно случайных и непредсказуемых ключей, которые будут недоступны шпионам.
Квантовая криптография полностью зависит от законов, которые управляют такими частицами, как фотоны или электроны. Их свойства, включая, например, поляризацию, принимают несколько значений одновременно, сворачиваясь в четкую определенность, только когда эти частицы измеряют (см. рис. 5.3). Используйте эти свойства как основу для шифрования, и вы сделаете невозможной любую попытку подсмотреть ваш ключ: это изменит результат измерения, по сути разрушая пломбу, защищающую от воровства.
Рис. 5.3. Непревзойденная защита: как квантовые ключи будут обеспечивать безопасность передачи сообщений.
Имеющиеся системы используют протокол, при котором Алиса, передающая ключ, выпускает поляризованный фотон и проводит над ним измерения перед тем, как его отправить. Ее партнер по переписке Боб выбирает особый способ измерения этого состояния поляризации, а потом вместе с Алисой использует незашифрованный канал для сравнения способов измерений, которые они проделали. За счет этого они создают одну цифру закрытого ключа для использования в шифровании сообщений. Чтобы построить весь ключ, Алиса и Боб просто повторяют процесс.
Методика уже использовалась для защиты клинических данных, финансовых трансакций и результатов голосования на федеральных выборах в Швейцарии. Однако это довольно дорогая технология, так что проблема заключается в разработке дешевого оборудования квантовой коммуникации. Прототип микросхемы передатчика для квантовых коммуникаций уже был разработан в Бристольском университете, и однажды такие устройства могут поместить внутрь вашего Wi-Fi-роутера или мобильного телефона, чтобы ввести безопасные коммуникации в массы.
Интервью. Квантовый алгоритм для дешифровки онлайн-данных?
Питер Шор является профессором прикладной математики в Массачусетском технологическом институте. Его квантовый алгоритм мог бы взломать шифры, которые защищают наши онлайн-данные, – но выполнять его должен достаточно мощный квантовый компьютер. В этом интервью Шор объясняет, почему он разработал алгоритм для квантового компьютера, который мог бы разгадать шифрование наших онлайн-данных.
– Безопасность в Интернете основывается на том, что наши компьютеры не могут взломать его криптографические системы. Но квантовый алгоритм, который Вы разработали, как раз обладает этой возможностью. Почему Вы его создали?
– Моей мотивацией было увидеть, на что способен квантовый компьютер. Более ранний квантовый алгоритм работал, используя периодичность, – тенденцию некоторых числовых последовательностей регулярно повторяться. Это имеет отношение к разложению на множители или поиску среди них чисел поменьше, так что я считал, что квантовые компьютеры способны разлагать большие числа на множители. Поскольку криптосистемы в Интернете опираются на отсутствие у имеющихся компьютеров этой возможности, я представил себе достаточно мощный квантовый компьютер, способный взломать эти системы.
– Беспокоились ли Вы о последствиях, когда закончили «алгоритм Шора» в 1994 году?
– Я чувствовал себя превосходно, обнаружив нечто такое, о чем не знал никто другой. Если не я, то рано или поздно это совершил бы кто-то другой. В те времена квантовые компьютеры были лишь гипотезой, и я не задумывался о том, что они могут быть собраны. Мы будем в довольно безопасном положении еще пять или десять лет, а возможно, даже большее время.
– Квантовую криптографию невозможно взломать разложением на множители. Может ли она однажды заменить стандартные криптографические системы?
– Для коротких расстояний не слишком сложно построить квантовую сеть, распространяющую ключи шифрования данных. Для больших же понадобятся квантовые повторители примерно на каждые 50 километров оптоволоконной сети, поскольку на больших расстояниях сложно поддерживать квантовое состояние. Даже если они когда-нибудь станут дешевле, вложения все равно будут довольно большие.
– Насколько сложнее написать алгоритм для квантового компьютера?
– Намного сложнее. Квантовые компьютеры основываются на форме интерференции – по сути том же самом явлении, что и интерференция световых волн, но в более математическом исполнении. Вычислительным путям к правильному ответу необходимо интерферировать конструктивно, тогда как ведущие к неверному должны интерферировать деструктивно.
– Почему нужно писать именно квантовые алгоритмы, если у нас все еще нет соответствующего оборудования для их запуска?
– Чем больше применений вы сможете придумать для квантового компьютера, тем важнее будет его собрать. Например, вы можете создать более эффективный метод разработки лекарств с применением квантовых эффектов, предсказывающих химические реакции молекул. В настоящий момент фармацевтические компании используют обычные программы для симуляции этих эффектов, но у вас, возможно, получится лучше за счет способностей квантового компьютера.
Изначально мотивация Ричарда Фейнмана на размышления о квантовых компьютерах в 1981 году состояла в том, что они будут эффективней классических компьютеров в моделировании квантовых систем, в том числе собственных. Это звучит не слишком впечатляюще, но многие из самых досаждающих научных практических проблем, например вопрос того, что именно заставляет сверхпроводники проводить без сопротивления или магниты обладать магнитными свойствами, сложно, а зачастую даже невозможно решить с помощью классических компьютеров.
Теоретики квантовой информации уже разработали замысловатые алгоритмы для аппроксимации сложных квантовых систем, состоящих из множества частиц, предвосхищая появление квантовых компьютеров, обладающих достаточной мощностью для работы с ними. Прелесть в том, что такие симуляторы не будут ограничены существующей физикой: мы также можем использовать их, чтобы получить информацию о еще не изученных явлениях. Квантовые симуляции могут рассказать нам, где, скажем, лучше всего искать в природе частицы Майораны, находящиеся, например, в сложных многочастичных сверхпроводящих состояниях. Считается, что эти частицы являются античастицами сами себе и имеют свойства, которые могли бы сделать их идеальным инструментом для создания добротной квантовой памяти. Это открывает любопытную возможность – использовать квантовые компьютеры, чтобы предложить еще более мощные квантовые компьютеры.
Метрология
Выполнение точных измерений – потенциально одна из наиболее значимых сфер применения квантовых компьютеров. Эффекты классического шума при фиксации чувствительных измерений физических величин, например интервалов времени или расстояний, означают, что лучшая статистическая точность, которую мы можем достичь, растет с квадратным корнем числа битов, используемых для записи.
Между тем квантовая неопределенность определяется принципом неопределенности Гейзенберга и быстро улучшается с ростом числа проделанных измерений. Посредством кодирования расстояний и временных интервалов с использованием квантовой информации – измеряя их, например, поляризованными фотонами лазера – можно достичь намного большей точности.
Этот принцип уже применялся в гигантских интерферометрах, в которых используются отклонения лазерных пучков километровой длины для детектирования неуловимых гравитационных волн, предсказанных теорией относительности Эйнштейна, например детекторами LIGO в Ливингстоне (штат Луизиана) и Хэнфорде (штат Вашингтон). В этих случаях мы можем рассматривать гравитацию как шум, возмущающий кубиты, в роли которых выступают положение и импульс фотонов от лазера. Измеряя эти возмущения, мы можем оценить интенсивность волн.
Ни один обзор квантовых компьютеров не будет полным без попытки ответить на вопрос стоимостью в 64 000 долларов (или даже гораздо большей): возможно ли, что мы увидим работающие квантовые компьютеры в наших домах, офисах и руках в ближайшее время? Ответ напрямую зависит от результатов поиска среды, способной кодировать и обрабатывать от 10 до 20 кубитов, которыми могут управлять имеющиеся технологии. Но достижение нескольких сотен кубитов, необходимое для опережения классических компьютеров, – во многом скорее техническая сложность. За пару десятилетий, с учетом прогресса в охлаждении и захвате, а также в сочетании со светом, от существующих технологий захваченных ионов и холодных атомов можно добиться необходимой стабильности в достаточно больших количествах для достижения действенных квантовых вычислений.
Первые крупномасштабные квантовые компьютеры, скорее всего, буквально такими и будут – крупномасштабными. Вложения в эту область существенно возросли за последние годы, и даже скептики сегодня говорят о крупномасштабных квантовых вычислениях как о неизбежном этапе развития, который, возможно, принесет свои плоды в следующие пять-десять лет. Эти системы, вероятно, будут управлять кубитами с помощью лазеров, и им потребуется сверхохлаждение, так что вряд ли они появятся в наших домах. Но если будущее большей части вычислений – это централизованные удаленные хранилища данных, возможно, эта необходимость не будет сильно мешать.
Когда появится что-то поменьше, следующей проблемой станет запутанность, являющаяся хрупкой драгоценностью и в более благоприятных условиях, поддерживать которую с ростом квантовой системы будет все сложнее и сложнее. Стало бы гораздо проще достичь прогресса в квантовых вычислениях, если бы наша убежденность в критической необходимости и центральном месте в таких вычислениях запутанных состояний оказалась ошибочной. Идея такой возможности появилась в 1998 году с разработкой «однокубитных» алгоритмов. Они могут решать широкий класс задач, включая разложение на множители по алгоритму Шора, и не требуют многих запутанных кубитов. Практическое осуществление такой технологии стало бы удивительно ловким приемом – однако исключительно важный алгоритм поиска по базе данных Гровера на ее основе реализовать невозможно.
Бытует мнение, что хрупкость квантовых систем не позволит нам осуществлять квантовые вычисления в таких крупномасштабных, шумных, теплых и сырых средах, в которых работаем мы, люди. Вопреки этому, надежду на их реализацию нам дают недавние свидетельства того, что живые системы, например фотосинтез у бактерии или аппарат магнитной навигации в сетчатке у птиц, используют некую простую обработку квантовой информации для повышения собственной эффективности (подробнее об этом см. в главе 6).
Если мы сможем раскрыть эти секреты, квантовый компьютер на каждом рабочем столе и на ладони каждой руки больше не покажется таким фантастическим.
Квантовые коммуникации
Сегодня криптографические системы находятся в довольно неустойчивом состоянии. Безопасность всех наших онлайн-закупок, банковских трансакций и аккаунтов основывается на шатком допущении, что эти конкретные математические операции трудновыполнимы. Наиболее известная из современных шифровальных систем называется алгоритмом RSA. Для шифрования данных она создает ключ из двух очень больших простых чисел. Они держатся в секрете, но их произведение – число длиной в тысячи двоичных цифр – известно всем. Данные могут быть зашифрованы с использованием этого открытого ключа, но расшифровать их можно, только зная его исходные числа. Безопасность RSA основывается на отсутствии известного простого способа найти два начальных числа. Существующие методы представляют собой почти бесконечные процессы, например подбор всех возможных вариантов по очереди.
Во всяком случае, мы на это надеемся. В настоящее время ни один классический компьютер не способен быстро решить эту задачу «в лоб», но все может измениться, особенно если крупномасштабные, по-настоящему квантовые компьютеры будут запущены в работу. Одним из способов дать новую жизнь нашей безопасности является использование квантовой криптографии. Она обещает возможность создания абсолютно случайных и непредсказуемых ключей, которые будут недоступны шпионам.
Квантовая криптография полностью зависит от законов, которые управляют такими частицами, как фотоны или электроны. Их свойства, включая, например, поляризацию, принимают несколько значений одновременно, сворачиваясь в четкую определенность, только когда эти частицы измеряют (см. рис. 5.3). Используйте эти свойства как основу для шифрования, и вы сделаете невозможной любую попытку подсмотреть ваш ключ: это изменит результат измерения, по сути разрушая пломбу, защищающую от воровства.
Рис. 5.3. Непревзойденная защита: как квантовые ключи будут обеспечивать безопасность передачи сообщений.
Имеющиеся системы используют протокол, при котором Алиса, передающая ключ, выпускает поляризованный фотон и проводит над ним измерения перед тем, как его отправить. Ее партнер по переписке Боб выбирает особый способ измерения этого состояния поляризации, а потом вместе с Алисой использует незашифрованный канал для сравнения способов измерений, которые они проделали. За счет этого они создают одну цифру закрытого ключа для использования в шифровании сообщений. Чтобы построить весь ключ, Алиса и Боб просто повторяют процесс.
Методика уже использовалась для защиты клинических данных, финансовых трансакций и результатов голосования на федеральных выборах в Швейцарии. Однако это довольно дорогая технология, так что проблема заключается в разработке дешевого оборудования квантовой коммуникации. Прототип микросхемы передатчика для квантовых коммуникаций уже был разработан в Бристольском университете, и однажды такие устройства могут поместить внутрь вашего Wi-Fi-роутера или мобильного телефона, чтобы ввести безопасные коммуникации в массы.
Питер Шор является профессором прикладной математики в Массачусетском технологическом институте. Его квантовый алгоритм мог бы взломать шифры, которые защищают наши онлайн-данные, – но выполнять его должен достаточно мощный квантовый компьютер. В этом интервью Шор объясняет, почему он разработал алгоритм для квантового компьютера, который мог бы разгадать шифрование наших онлайн-данных.
– Безопасность в Интернете основывается на том, что наши компьютеры не могут взломать его криптографические системы. Но квантовый алгоритм, который Вы разработали, как раз обладает этой возможностью. Почему Вы его создали?
– Моей мотивацией было увидеть, на что способен квантовый компьютер. Более ранний квантовый алгоритм работал, используя периодичность, – тенденцию некоторых числовых последовательностей регулярно повторяться. Это имеет отношение к разложению на множители или поиску среди них чисел поменьше, так что я считал, что квантовые компьютеры способны разлагать большие числа на множители. Поскольку криптосистемы в Интернете опираются на отсутствие у имеющихся компьютеров этой возможности, я представил себе достаточно мощный квантовый компьютер, способный взломать эти системы.
– Беспокоились ли Вы о последствиях, когда закончили «алгоритм Шора» в 1994 году?
– Я чувствовал себя превосходно, обнаружив нечто такое, о чем не знал никто другой. Если не я, то рано или поздно это совершил бы кто-то другой. В те времена квантовые компьютеры были лишь гипотезой, и я не задумывался о том, что они могут быть собраны. Мы будем в довольно безопасном положении еще пять или десять лет, а возможно, даже большее время.
– Квантовую криптографию невозможно взломать разложением на множители. Может ли она однажды заменить стандартные криптографические системы?
– Для коротких расстояний не слишком сложно построить квантовую сеть, распространяющую ключи шифрования данных. Для больших же понадобятся квантовые повторители примерно на каждые 50 километров оптоволоконной сети, поскольку на больших расстояниях сложно поддерживать квантовое состояние. Даже если они когда-нибудь станут дешевле, вложения все равно будут довольно большие.
– Насколько сложнее написать алгоритм для квантового компьютера?
– Намного сложнее. Квантовые компьютеры основываются на форме интерференции – по сути том же самом явлении, что и интерференция световых волн, но в более математическом исполнении. Вычислительным путям к правильному ответу необходимо интерферировать конструктивно, тогда как ведущие к неверному должны интерферировать деструктивно.
– Почему нужно писать именно квантовые алгоритмы, если у нас все еще нет соответствующего оборудования для их запуска?
– Чем больше применений вы сможете придумать для квантового компьютера, тем важнее будет его собрать. Например, вы можете создать более эффективный метод разработки лекарств с применением квантовых эффектов, предсказывающих химические реакции молекул. В настоящий момент фармацевтические компании используют обычные программы для симуляции этих эффектов, но у вас, возможно, получится лучше за счет способностей квантового компьютера.
Шум – ключ к квантовым технологиям?
Оказалось, что собрать квантовые устройства крайне сложно, потому что они должны работать в условиях, исключающих шумы. Однако достижение контроля запутанности – в целом задача не из приятных. Столкновения с молекулами воздуха, случайные электромагнитные сигналы, тепло и множество других факторов создают вибрации, или шумы, которые быстро разрушают эту квантовую особенность. Квантовый алгоритм, снижающий шумы, может достаточно долго сохранять запутанность для вычисления точных результатов, но до сих пор не было найдено универсальное решение, использующее больше нескольких кубитов. Маловероятно, что крупномасштабный компьютер, работающий на чистой запутанности, будет построен в следующее десятилетие.
А что если бы мы могли создать квантовые устройства, которые допускают шумы – или даже используют их? Это может стать реальным благодаря непонятному свойству квантового мира, называемому квантовым дискордом – актуальный, но неоднозначный инструмент. Дискорд был впервые обнаружен в начале 2000-х годов тремя независимыми группами, работающими в Великобритании, США и Польше. В его основе лежит понимание того, что «квантовое» не означает выбор между «да» и «нет». Система может быть полностью квантовой и потому пересеченной связями запутанности. Но она также может быть и лишь частично квантовой, не имея связей запутанности, но обладая при этом другими квантовыми особенностями. По сути дискорд измеряет эту квантовость, охватывая как запутанность, так и то, что однажды назвали нежелательным шумом. В квантовых системах он встречается повсюду.
В течение семи лет дискорд оставался узкоспециализированной темой и его практическая важность была неочевидна. Однако интерес к нему возрос пять лет назад, когда начали появляться свидетельства того, что он может добавить «квантовой мощи» системе, даже когда запутанность отсутствует. Изначально предполагалось, что запутанность является обязательным условием.
Переломный момент произошел в 2008 году, когда исследователи из Университета Нью-Мексико по-новому взглянули на возможности упрощенной модели квантового компьютера, названной DQC1 (от англ. deterministic quantum computation with one quantum bit – детерминистское квантовое вычисление с одним квантовым битом). Они обнаружили, что по мере увеличения числа кубитов компьютер продолжает работать эффективно, даже если количество данных растет экспоненциально, – что было неосуществимо для цифровых компьютеров. Интересно, что это заметное улучшение было достигнуто без существенного увеличения запутанности. Это наблюдение привело ученых к выводу, что за обеспечение такого эффекта ответственен дискорд. Примечательно, что DQC1 работает только с одним защищенным от шума кубитом, тогда как все остальные полностью зашумлены. Она показывает нам, что большое количество шумов не обязательно является помехой, и использует их как ресурс, когда они комбинируются с частичкой чистого сигнала. Другие недавние исследования показывают, что квантовый компьютер, не производящий никакого дискорда, в большинстве случаев демонстрирует мощность, не превышающую показатели классического компьютера.
Оказывается, дискорд также играет не последнюю роль в работе квантовых датчиков – это один из возможных способов увеличения точности датчиков при меньших затратах энергии. Он может быть использован, например, для анализа хрупких биологических образцов, разрушающихся под воздействием света. Исследование показывает, что в некоторых типах шумных квантовых датчиков, где запутанность не защищена от шума, увеличение квантовой эффективности возможно за счет использования дискорда.
Другим увлекательным открытием стало наличие корреляции между дискордом и точностью квантовых датчиков. Используя компьютер DQC1, квантовые датчики продемонстрировали, что дискорд обеспечивает увеличение квантовыми механизмами точности измерений.
Однако в научных кругах практическая значимость дискорда остается спорным вопросом, и некоторые исследователи скептически относятся к его роли. В основном потому, что потребовалось много лет для достижения ясного понимания дискорда как важной и применимой физической величины. И чем больше для него находится применений, тем более популярным становится такое понимание.
Тратя дискорд
Одно из самых увлекательных открытий было сделано в 2012 году, когда группа ученых под руководством Майла Гу из Центра квантовых технологий Наньянского технологического университета (Сингапур) и Пинг Коя Лама из Австралийского национального университета в Канберре продемонстрировали убедительную связь между квантовой эффективностью и дискордом. Они показали, что увеличение количества информации о зашифрованном секретном сообщении, которая может быть извлечена с помощью настоящей квантовой машины, эквивалентно затраченному в этом процессе дискорду.
Когда-то смутная перспектива применения дискорда стремительно превращается в ключевое направление исследований, ведь имеются четкие свидетельства того, что шумные квантовые устройства являются следующей ступенью в увеличении эффективности квантовых технологий. Дискорд может сыграть роль даже в нашем понимании перехода между квантовым и классическим, который объясняет возникновение нашего повседневного жизненного опыта в реальном мире, а также в решении других фундаментальных проблем физики. Вполне вероятно, что однажды измерения повышенного квантового характера будут использоваться в самых современных датчиках для исследований геофизики и в других областях.
Рекордсмены
Квантовая телепортация
Рекорд дальности квантовой телепортации между двумя точками на Земле составил 143 километра. Он был установлен в 2012 году группой исследователей под руководством Антона Цайлингера из Венского университета. Мировой рекорд дальности квантовой телепортации по оптоволоконным сетям был установлен в сентябре 2016 года, когда две независимые группы передали квантовую информацию на расстояние в 6,2 километра.
Суперпозиция
Крупнейшим объектом, существовавшим в двух квантовых состояниях одновременно, является облако из 10 000 атомов рубидия.
Передача через космос
Первая квантовая передача через космическое пространство была совершена в 2014 году, когда фотоны в четырех разных квантовых состояниях (требуемый минимум для квантовой криптографии) были отправлены в космос и вернулись обратно, отразившись от пяти спутников, находящихся на расстояниях около 2600 километров друг от друга.
Оказалось, что собрать квантовые устройства крайне сложно, потому что они должны работать в условиях, исключающих шумы. Однако достижение контроля запутанности – в целом задача не из приятных. Столкновения с молекулами воздуха, случайные электромагнитные сигналы, тепло и множество других факторов создают вибрации, или шумы, которые быстро разрушают эту квантовую особенность. Квантовый алгоритм, снижающий шумы, может достаточно долго сохранять запутанность для вычисления точных результатов, но до сих пор не было найдено универсальное решение, использующее больше нескольких кубитов. Маловероятно, что крупномасштабный компьютер, работающий на чистой запутанности, будет построен в следующее десятилетие.
А что если бы мы могли создать квантовые устройства, которые допускают шумы – или даже используют их? Это может стать реальным благодаря непонятному свойству квантового мира, называемому квантовым дискордом – актуальный, но неоднозначный инструмент. Дискорд был впервые обнаружен в начале 2000-х годов тремя независимыми группами, работающими в Великобритании, США и Польше. В его основе лежит понимание того, что «квантовое» не означает выбор между «да» и «нет». Система может быть полностью квантовой и потому пересеченной связями запутанности. Но она также может быть и лишь частично квантовой, не имея связей запутанности, но обладая при этом другими квантовыми особенностями. По сути дискорд измеряет эту квантовость, охватывая как запутанность, так и то, что однажды назвали нежелательным шумом. В квантовых системах он встречается повсюду.
В течение семи лет дискорд оставался узкоспециализированной темой и его практическая важность была неочевидна. Однако интерес к нему возрос пять лет назад, когда начали появляться свидетельства того, что он может добавить «квантовой мощи» системе, даже когда запутанность отсутствует. Изначально предполагалось, что запутанность является обязательным условием.
Переломный момент произошел в 2008 году, когда исследователи из Университета Нью-Мексико по-новому взглянули на возможности упрощенной модели квантового компьютера, названной DQC1 (от англ. deterministic quantum computation with one quantum bit – детерминистское квантовое вычисление с одним квантовым битом). Они обнаружили, что по мере увеличения числа кубитов компьютер продолжает работать эффективно, даже если количество данных растет экспоненциально, – что было неосуществимо для цифровых компьютеров. Интересно, что это заметное улучшение было достигнуто без существенного увеличения запутанности. Это наблюдение привело ученых к выводу, что за обеспечение такого эффекта ответственен дискорд. Примечательно, что DQC1 работает только с одним защищенным от шума кубитом, тогда как все остальные полностью зашумлены. Она показывает нам, что большое количество шумов не обязательно является помехой, и использует их как ресурс, когда они комбинируются с частичкой чистого сигнала. Другие недавние исследования показывают, что квантовый компьютер, не производящий никакого дискорда, в большинстве случаев демонстрирует мощность, не превышающую показатели классического компьютера.
Оказывается, дискорд также играет не последнюю роль в работе квантовых датчиков – это один из возможных способов увеличения точности датчиков при меньших затратах энергии. Он может быть использован, например, для анализа хрупких биологических образцов, разрушающихся под воздействием света. Исследование показывает, что в некоторых типах шумных квантовых датчиков, где запутанность не защищена от шума, увеличение квантовой эффективности возможно за счет использования дискорда.
Другим увлекательным открытием стало наличие корреляции между дискордом и точностью квантовых датчиков. Используя компьютер DQC1, квантовые датчики продемонстрировали, что дискорд обеспечивает увеличение квантовыми механизмами точности измерений.
Однако в научных кругах практическая значимость дискорда остается спорным вопросом, и некоторые исследователи скептически относятся к его роли. В основном потому, что потребовалось много лет для достижения ясного понимания дискорда как важной и применимой физической величины. И чем больше для него находится применений, тем более популярным становится такое понимание.
Тратя дискорд
Одно из самых увлекательных открытий было сделано в 2012 году, когда группа ученых под руководством Майла Гу из Центра квантовых технологий Наньянского технологического университета (Сингапур) и Пинг Коя Лама из Австралийского национального университета в Канберре продемонстрировали убедительную связь между квантовой эффективностью и дискордом. Они показали, что увеличение количества информации о зашифрованном секретном сообщении, которая может быть извлечена с помощью настоящей квантовой машины, эквивалентно затраченному в этом процессе дискорду.
Когда-то смутная перспектива применения дискорда стремительно превращается в ключевое направление исследований, ведь имеются четкие свидетельства того, что шумные квантовые устройства являются следующей ступенью в увеличении эффективности квантовых технологий. Дискорд может сыграть роль даже в нашем понимании перехода между квантовым и классическим, который объясняет возникновение нашего повседневного жизненного опыта в реальном мире, а также в решении других фундаментальных проблем физики. Вполне вероятно, что однажды измерения повышенного квантового характера будут использоваться в самых современных датчиках для исследований геофизики и в других областях.
Квантовая телепортация
Рекорд дальности квантовой телепортации между двумя точками на Земле составил 143 километра. Он был установлен в 2012 году группой исследователей под руководством Антона Цайлингера из Венского университета. Мировой рекорд дальности квантовой телепортации по оптоволоконным сетям был установлен в сентябре 2016 года, когда две независимые группы передали квантовую информацию на расстояние в 6,2 километра.
Суперпозиция
Крупнейшим объектом, существовавшим в двух квантовых состояниях одновременно, является облако из 10 000 атомов рубидия.
Передача через космос
Первая квантовая передача через космическое пространство была совершена в 2014 году, когда фотоны в четырех разных квантовых состояниях (требуемый минимум для квантовой криптографии) были отправлены в космос и вернулись обратно, отразившись от пяти спутников, находящихся на расстояниях около 2600 километров друг от друга.
ТЕЛЕГРАМКанал с обзорами, анонсами новинок и книжными подборками
Книжный Вестник
Бот для удобного поиска книг (если не нашлось на сайте)
Поиск книг
Свежие любовные романы в удобных форматах
Любовные романы
О психологии, саморазвитии и личностном росте
Саморазвитие
Детективы и триллеры, все новинки
Детективы
Фантастика и фэнтези, все новинки
Фантастика
Отборные классические книги
Классика
ВКОНТАКТЕБиблиотека с любовными романами, которая наверняка придётся по вкусу женской части аудитории
Любовные романы
Библиотека с фантастикой и фэнтези, а также смежных жанров
Фантастика
Самые популярные книги в формате фб2
Топ фб2
книги