I. Общий обзор квантовых технологий
Написано Элиасом Леманом
в сотрудничестве с Quantum Computing в Беркли
Здесь мы поговорим о самых захватывающих квантово-механических явлениях в мире, о применении этих открытий сегодня и о том, что ждет квантовые технологии в будущем. В этой публикации мы кратко коснемся самых популярных технологий, принимая во внимание их физическую основу и пытаясь увидеть, какое влияние они могут оказать на нашу жизнь в ближайшем будущем.
Введение
Квантовая механика — это наука, изучающая поведение реальности в самых мелких масштабах, если быть точным, наноскопических. На фундаментальном уровне почти ничего не работает так, как мы привыкли. Частицы проходят сквозь стены, и все потому, что мир по своей сути вероятностный. Продвижение во многих областях технологии и науки требует от современных ученых знаний квантовой механики. Разработка медицинских томографов, автомобильных аккумуляторов и компьютеров, идентификация молекулярных структур и химических свойств, поиск темной материи и измерение гравитационных волн — это лишь несколько областей, которые лежат в основе понимания этих абстрактных физических явлений. Прелесть физики в том, что иногда она может сломать вашу интуицию и затем дать более ясную картину мира. Именно это делает квантовую физику, пожалуй, самой увлекательной из всех областей физики. Применение этих невообразимых моделей поведения для создания новых технологий открывает новые невероятные перспективы.
Квантовая информация и вычисления
С середины 20-го века квантовая физика, возможно, проложила путь для многих технологий, с которыми мы ежедневно взаимодействуем, и компьютер является ярким примером. Первые достижения произошли с открытием физических свойств полупроводников, таких как кремний, что привело к изобретению транзистора в начале 1950-х годов. Транзисторы — это технология, отвечающая за биты, единицу информации в классических компьютерах. Миллиарды транзисторов лежат в основе всех компьютерных чипов, например, в вашем мобильном телефоне, ноутбуке и других интеллектуальных устройствах. Светоизлучающие диоды (LED), подобные тем, что установлены на экране вашего компьютера, аналогичные электролюминесцентные технологии, такие как цифровые камеры, и фотоэлектрические технологии, такие как солнечные элементы, могут быть признаны открытиями в области квантовой механики.
История квантовых и классических компьютеров очень переплетена. Первые современные компьютеры были разработаны в лабораториях и университетах по всему миру, и, получив ранний доступ, физики были одними из первых, кто использовал компьютеры для выполнения точных расчетов. Однако квантовые физики пришли к выводу, что классические компьютеры ограничены. Знаменитый теоретик Ричард Фейнман постулировал, что ни одна классическая система не может быть использована для понимания поведения даже слегка сложных квантовых систем, поэтому классические компьютеры, даже суперкомпьютеры, могут использоваться только для продвижения квантовых технологий в определенной степени.
Используя новый взгляд на двухуровневые квантовые системы, теоретики создали новые обозначения и диаграммы для фиксации информации в формате, позволяющем ей вести себя квантовомеханически. Единицей этой информации является квантовый бит, часто называемый кубитом, в отличие от классического бита. В дальнейших выпусках этой серии мы рассмотрим кубит и многие его интересные свойства .
Квантовые вычисления обеспечивают возможное решение некоторых критических и трудноразрешимых проблем в нескольких отраслях. К сожалению, реализация эффективных квантовых вычислений оказалась чрезвычайно сложной. С аппаратной стороны возникли две основные проблемы:
Кубиты хрупкие: небольшие внешние воздействия на энергию кубита, такие как колебания температуры или воздействие радиации, могут испортить его состояние. Поскольку квантовые алгоритмы часто полагаются на взаимосвязь или запутанность между несколькими кубитами, один ошибочный кубит может испортить вычисление. Исправление ошибок на практике сводится к уменьшению влияния поврежденных кубитов.
Ожидается, что для большинства реальных задач потребуются миллионы, а иногда даже миллиарды высококачественных кубитов, чтобы обеспечить надежное решение. Это отодвигает ожидаемые сроки реализации реальных вычислений с использованием квантовых компьютеров потенциально в очень далекое будущее.
Что касается программного обеспечения, квантовые алгоритмы, имеющие преимущества перед классическими вычислениями, все еще находятся в разработке. Они поставлены в тупик основной проблемой, связанной с отсутствием аппаратного обеспечения – однако, как будет показано в дальнейших выпусках этой серии, классическое моделирование квантовых компьютеров в настоящее время смягчает эту проблему, однако не устраняя её полностью.
До недавнего времени казалось, что эти барьеры невозможно преодолеть. Со временем были предложены, протестированы и переоценены десятки новых подходов к реализации кубитов. Сегодня существует набор широко распространенных подходов, предлагающих множество плюсов и минусов, которые мы рассмотрим в дальнейших выпусках этой серии публикаций. Некоторые методы требуют охлаждения атомов до температур ниже, чем в глубоком космосе, другие используют квантовую природу света, а кубиты можно даже создавать из сверхпроводящих электронных схем.
Введение в квантовую связь, криптографию и сети
Интернет можно упростить до сети взаимосвязанных компьютеров, которые передают данные. Мы накладываем протоколы безопасности на несколько этапов процесса передачи, чтобы обеспечить эффективный и безопасный обмен данными. В этом смысле квантовая информация вполне аналогична классической информации: нам понадобится аналогичная система — квантовый Интернет — для перемещения кубитов между квантовыми компьютерами. Вместо квантового Интернета большинство экспертов предпочитают термин «квантовые сети». В то время как квантовые компьютеры выполняют вычисления с квантовой информацией, квантовые сети передают квантовую информацию. Основным стимулом для создания квантовой сети являются параллельные вычисления. Если мы сможем успешно обмениваться данными между квантовыми компьютерами, сохраняя при этом квантовое состояние, мы сможем выполнять квантовые вычисления параллельно, что еще больше повысит скорость вычислений.
Реализация квантовой сети до сих пор остается широко обсуждаемой темой. Сегодняшний Интернет физически представлен локальными компьютерами, такими как ваш компьютер, соединенными оптоволоконными кабелями, которые охватывают целые страны и охватывают тысячи километров, соединяя континенты.
В настоящее время невозможно транспортировать квантовую информацию так далеко по нескольким причинам. Несмотря на исследования, проведенные в Китае, показывающие способность сегодняшней оптоволоконной технологии передавать кубиты локально , сегодняшняя интернет-схема слишком шумна для передачи на большие расстояния. Современная задача состоит в том, чтобы соединить несколько относительно близких квантовых компьютерных центров через оптическое волокно более высокого класса, как это продемонстрировали национальные лаборатории в США . В будущем мы, вероятно, увидим квантовые компьютеры, сконцентрированные на небольшом расстоянии друг от друга, и получим доступ к их кластерам компьютеров через классический Интернет и облачные вычисления.
Проведя сравнение с классическим интернет-протоколом, мы можем расширить квантовые сети и коммуникации. Отправка кубитов через квантовую сеть для представления сообщений — это квантовая коммуникация. Основной областью квантовой коммуникации является квантовое шифрование. Достижения современной квантовомеханической науки убедительно говорят в пользу того, чтобы сделать квантовую связь теоретически наиболее безопасной формой связи.
Теорема о запрете клонирования , утверждающая, что произвольное квантовое состояние уникально, и коллапс волновой функции при наблюдении позволяют двум сторонам немедленно определить, наблюдаются ли передаваемые между ними данные в пути — другими словами, если кто-то подслушивает . Помимо потенциальной защиты онлайн-данных, квантовая технология может взломать современное шифрование. Стандартные методы шифрования сегодня основаны на математических расчетах, которые легко вычислить в одном направлении, но очень сложно повернуть в обратном направлении. Самый популярный пример — шифрование RSA, в котором используется умножение двух больших простых чисел. Если эти два числа достаточно велики, факторизация произведения за разумный период времени для классического компьютера практически невозможна.
Однако некоторые подобные проблемы теоретически могут быть решены с помощью квантовых компьютеров, а это означает, что однажды квантовые компьютеры смогут взламывать современные методы шифрования . В ответ на эту угрозу правительства и компании начали переход к новым методам шифрования, основанным на алгоритмах, которые столь же сложны для квантовых компьютеров, как и для классических . Федеральное финансирование, такое как законопроект 2021 года, принятый президентом США Джо Байденом, обращает внимание на одно из первых применений квантовой кибербезопасности. Область под названием «постквантовая криптография» станет темой дальнейших выпусков этой серии.
Введение в квантовое моделирование
Возвращаясь к потенциальным решениям, которые предлагают квантовые вычисления, вспомните первоначальную причину разработки квантовых компьютеров. Наноразмерные частицы управляются квантовой механикой, что позволяет им находиться в разных состояниях одновременно. Чтобы смоделировать эту систему, нужно было бы отслеживать все возможные конфигурации состояний всех частиц. Эта проблема растет экспоненциально, поэтому для моделирования 400 частиц потребуется больше битов, чем частиц во Вселенной. Это случай классического компьютера. Квантовое моделирование напрямую основывается на классическом моделировании: квантовая система, такая как молекула, отображается в набор кубитов, затем над набором выполняются операции, которые аппроксимируют предполагаемое решение, например, энергия, получаемая в результате химической реакции. Квантово-механические свойства кубитов позволяют моделировать квантовые системы без экспоненциального роста сложности вычислений. Сегодня на квантовом компьютере уже можно выполнить базовое моделирование. Хотя опубликовано мало примеров выдающихся или новых результатов, полученных с помощью квантовых вычислений, прорывы в этой области всегда попадают в заголовки газет.
Квантовые компьютеры обещают радикальное сокращение числа вычислительных операций, необходимых для решения задач моделирования, что теоретически приводит к ускорению вычислений. Заинтригованные этим, ученые-естественники и компьютерщики, математики и экономисты находят потенциальное применение квантовых компьютеров в своих областях. В частности, ученые ищут ускорение для решения трудноразрешимых задач, сложность которых возрастает в геометрической прогрессии. Таким образом, помимо моделирования сложных квантово-механических систем, применение квантовых вычислений распространяется на промышленные проблемы, такие как оптимизация комбинаторных систем на заводе или моделирование финансовых систем путем проведения аналогий с физическими. Например, некоторые современные исследования сравнивают риск финансового портфеля с уровнями энергии , которые можно оптимизировать с помощью квантовых вычислений.
Существуют и другие применения в моделировании биотехнологий и фармацевтики. В мире разработки лекарств знание электронных орбиталей атомов активного химического вещества лекарства может точно определить, как оно будет вести себя при взаимодействии с различными белками в организме. Моделирование этих химических веществ и их взаимодействий открывает невиданные ранее возможности для разработки новых лекарственных препаратов. Вместо того, чтобы полагаться на интенсивные классические расчеты, сопровождаемые повторяющимися пробами и ошибками, лекарства можно разрабатывать для конкретного применения, что резко сокращает количество итераций, необходимых для поиска успешного продукта. Но, как уже упоминалось, квантовым компьютерам предстоит преодолеть проблемы, прежде чем какое-либо из этих обещаний станет реальностью.
Введение в квантовое зондирование и метрологию
Квантовые технологии выходят за рамки вычислений и влияют на то, как другие технологии взаимодействуют с миром. Зондирование — это общий термин, используемый для описания процесса сбора цифровой информации из окружающей среды. Автономные автомобили распознают окружающую среду с помощью трехмерного лазерного сканирования, а самолеты используют гироскопы для определения своей ориентации в небе. Мы называем использование квантовых свойств, отличных от классических свойств, таких как температура и давление, квантовым восприятием. Квантовые свойства, измеряемые на атомном уровне, включают запутанность, квантовую интерференцию и многое другое. Использование этих свойств, в отличие от классических, позволяет создавать новые формы сверхточных датчиков. Об этом будет рассказано в дальнейших выпусках этой серии.
Метрология, наука об измерениях, представляет собой науку, которая применяется главным образом в области научных приборов. Высококачественные измерительные устройства, такие как атомные часы, магнитно-резонансная томография и электронные микроскопы, подпадают под сферу метрологии, и все они основаны на открытиях в квантовой физике.
Эти технологии могут показаться неприменимыми для большинства людей, но это на самом деле не так. Атомные часы отвечают не только за работу GPS и других современных навигационных систем, но и за поддержание финансовых операций и основных фондовых рынков . Магнитная визуализация — это технология, спасающая жизнь, в больничном аппарате МРТ. Эти устройства своим существованиям в настоящее время обязаны успехам исследований в области квантового зондирования .
Ожидаемые сроки реализации
Различные временные рамки, связанные с секторами квантовых технологий, часто определяются нечетко, учитывая, что практически невозможно предсказать, когда произойдет практическое научное открытие. Тем не менее, в отрасли есть стандартизированные условия для ближайшего будущего квантовых вычислений, которые играют ключевую роль в сроках развития других квантовых технологий. Сегодня мы находимся в разгаре эры так называемых шумных квантов среднего масштаба (NISQ). Это название отражает состояние сегодняшней квантовой технологии – она не в достаточно большом масштабе, чтобы оказать революционное влияние, и сильно подвержена воздействию шума из окружающей среды.
Поскольку нынешнее состояние квантовых вычислений неспособно решать проблемы, достаточно сложные, чтобы иметь последствия для реального мира, исследователи ограничиваются демонстрациями, подтверждающими концепцию. Например, мы можем использовать квантовые компьютеры для расчета наименьшей энергии хорошо изученного атома водорода, но это не имеет серьезного практического значения. Точно так же максимальная дальность передачи квантовой информации на сегодня составляет сто километров. Одна тысяча километров пока остается недостижимой вехой. Тем не менее, приходится признать достижения квантовой информационной науки, успехи которой неоспоримы. Всего 40 лет назад эти технологии существовали только на доске, но с тех пор квантовые вычисления стали ближе к реальности. С каждой итерацией разрабатывались новые технологии и вычислительные методы для смягчения наиболее насущных проблем в этой области, особенно в отношении склонных к ошибкам кубитов, а также оптимизации вычислений, чтобы теоретические алгоритмы могли найти применение в эту эпоху. Достигнутые сегодня темпы прогресса в индустрии квантовых вычислений дают надежду найти решения сложных проблем в будущем.
Продолжение в следующих выпусках...
