Квантовые технологии

Привет! Меня зовут Михина Полина, сейчас я аналитик в Cloud.ru, а в прошлом занималась разработкой противоопухолевых препаратов в ФИЦ ПХФ и МХ РАН. Этот опыт позволяет мне смотреть на развитие квантовых технологий, в частности на квантовое машинное обучение (QML), через призму конкретной проблемы, которую она может решить.

Ранее я убедилась, что процесс драг-дизайна устроен крайне сложно. Каждая потенциальная молекула — это месяцы расчётов, синтеза и экспериментов, где малейшая ошибка возвращает исследователя в начало. Квантовые методы, как QPE  (Quantum Phase Estimation, алгоритм квантовой оценки фазы), могли бы радикально сократить этот цикл, позволяя моделировать взаимодействия молекул и их энергетические состояния с точностью, недостижимой для классических вычислений. Это особенно важно, когда сложность исследуемых систем растет, и приходится прибегать к приближениям, что снижает точность и увеличивает время вычислений.

В этой статье мы трезво посмотрим на QML: где оно уже работает (и работает ли?), с какими ограничениями сталкивается и что из этого может быть полезно IT-специалистам без громких заявлений о «квантовом будущем через наносекунду».

Эта статья — пятая и финальная часть цикла, в котором я последовательно собирал «теорию всего» из квантовой информации и симметрий. В первых четырёх текстах мы прошли путь от линейной квантовой механики и конформных теорий поля до гравитации, голографии, Стандартной модели, чёрных дыр и космологии. Но неизбежный вопрос после всего этого один: какой мир мы вообще описываем?

Здесь я честно ухожу в метафизику, опираясь на уже построенный физический каркас. Сначала объясняю, почему картинка «одна классическая Вселенная + наше неполное знание» не работает: неравенства Белла, отложенный квантовый ластик и запрет клонирования слишком сильно ограничивают возможные модели реальности. Многомировая интерпретация в духе Эверетта оказывается не «фантастикой», а минимально честным способом сохранить унитарность и согласовать всё с экспериментом.

Затем я предлагаю видеть мир как информационный граф: вершины — события, рёбра — причинные связи, глобальное квантовое состояние — распределение амплитуд по всем возможным ветвям этого графа. В такой картине «материя» перестаёт быть фундаментальным кирпичом и становится особым классом устойчивых информационных конфигураций, а пространство-время и геометрия — эффективным описанием крупномасштабной каузальной структуры.

Отдельная глава посвящена роли сознания: не как «магической сущности», а как подсистемы с памятью и моделью мира, которая идёт по одной ветке информационного графа и переживает её как «свою жизнь». В финале я формулирую, что для меня значит «теория всего»: минимальный набор информационных принципов и симметрий, из которого нельзя ничего убрать и нельзя ничего добавить, не сломав согласованность с собой и с экспериментом.

Это не ответ на все вопросы и не попытка навязать веру. Это — честная попытка описать, как выглядит реальность, если всерьёз принять результаты современной квантовой физики, гравитации и голографии, а не прятать их в разрозненных курсах.

Когда я начинал первую статью — ту самую «Теория всего. From Zero to Hero» — мотивация была простая: физика — это не набор разрозненных курсов (квантовая механика, теория поля, теория струн, космология), а единый язык, который пока плохо организован на интуитивном уровне. Я не пытаюсь «создать новую физику», а лишь систематизирую понятийный аппарат вокруг цельного восприятия теоретической физики и облегчить читателю путь к пониманию самых сложных областей человеческого знания.

Эта, четвёртая статья цикла, посвящена тому, ради чего всё и затевалось: гравитация, горизонты, квантовая информация и космология. Сначала я аккуратно разбираю классическую сторону: как из принципа эквивалентности рождается идея, что гравитация — это не сила, а кривизна пространства-времени; что такое метрика, геодезические и уравнения Эйнштейна; как в этой картине появляются горизонты — чёрных дыр, горизонты Риндлера для ускоренных наблюдателей и космологические горизонты.

Затем поверх этой геометрии поднимается квантовая теория поля: эффект Унру (почему ускоренный наблюдатель видит вакуум «тёплым»), излучение Хокинга и энтропия Бекенштейна–Хокинга, четыре закона термодинамики чёрных дыр. На этом фоне я формулирую информационный парадокс и подключаю голографическую дуальность AdS/CFT: чёрная дыра в AdS ↔ тёплое состояние унитарной CFT на границе. Вводятся формулы Рю–Такэяги и квантово-экстремальных поверхностей (RT/QES), которые делают идею «информация на поверхности» буквально истинной и дают правильную кривую Пейджа для энтропии излучения.

В финале статья поднимается до космологии: FRW-модели и уравнения Фридмана, тёмная материя и тёмная энергия в общем языке «QFT + информация + гравитация», теоремы Пенроуза–Хокинга о сингулярностях и сценарии, которые пытаются обойти классические «бесконечности» (bounce, fuzzballs, causal set, струны). Текст написан в том же стиле, что и предыдущие части: без лишней формальной казуистики, но с максимальной аккуратностью и уважением к читателю с физмат-бэкграундом.

Стандартная модель часто выглядит как странный зоопарк частиц: шесть кварков, шесть лептонов, восемь глюонов, W и Z, фотон, Хиггс… Но если смотреть на неё не как на таблицу, а как на язык симметрий, оказывается, что это очень жёсткая и экономичная конструкция.

В этой статье я продолжаю цикл про «Теорию всего» и разбираю Стандартную модель как минимальную калибровочную квантовую теорию поля. Мы начинаем с симметрий Пуанкаре и внутренних групп SU(3)×SU(2)×U(1), показываем, как из них неизбежно рождаются глюоны, W/Z и фотон. Потом разбираем фермионный сектор: кварки и лептоны как представления этих групп, левый/правый, поколения. Отдельная часть посвящена Хиггсу — не как «шайбе массой 125 ГэВ», а как механизму, который даёт массы W/Z и фермионам, не разрушая калибровочную структуру.

В финале обсуждаем аномалии, BRST-симметрию и ренормгруппу: как требования отмены аномалий фиксируют дробные гиперзаряды и структуру поколений, почему QCD оказывается асимптотически свободной, а калибровочные константы почти унифицируются на высоких энергиях. Цель статьи — показать читателю с физмат-бэкграундом, что Стандартная модель — это не случайный набор формул, а почти единственный самосогласованный способ устроить наш мир из симметрий, который не ломается ни на уровне математики, ни на уровне эксперимента.

Принцип запрета Паули знают все, но мало кто в деталях понимает, почему «два электрона не могут сидеть в одном состоянии» — и при чём тут вообще отрицательные детерминанты и какие‑то «поля‑призраки».

Эта статья — вторая часть цикла о том, как современная квантовая теория очищает своё собственное пространство состояний. Мы начинаем с неразличимости и антисимметрии, аккуратно выводим принцип Паули из линейной алгебры, обсуждаем теорему спин‑статистики и роль грассмановых чисел. Затем переходим к калибровочным теориям: показываем, откуда берутся призраки Фаддеева‑Попова, что делает BRST‑симметрия и почему антикоммутирующие «призраки» не нарушают теорему спин‑статистики, а наоборот — спасают унитарность и калибровочную независимость.

Текст написан в «человеческом» стиле: без избыточной формальной казуистики, но с максимальной аккуратностью. Цель — дать читателю с физмат‑бэкграундом действительно понять архитектуру квантовой теории поля, а не просто выучить стандартные формулы наизусть.

Международный коллектив ученых из Греции (FORTH, Университет Крита), Китая (Университет Вестлейк, Университет Тунцзи), Великобритании (Университет Сент‑Эндрюс) и России (МФТИ, Санкт‑Петербургский государственный университет) впервые продемонстрировал создание и управление экзотическими топологическими состояниями света при комнатной температуре, используя уникальные свойства самособирающихся кристаллов перовскита. Заперев свет в микроскопической ловушке вместе с этими кристаллами, исследователи смогли создать «синтетические» магнитные поля для фотонов, что привело к появлению необычных и надежно защищенных световых состояний. Статья об открытии опубликована в журнале Light: Science & Applications.

Ученые из Московского физико-технического института (МФТИ) и Всероссийского научно-исследовательского института автоматики им. Н.Л. Духова (ВНИИА), Евгений Андрианов и Олег Толстихин, разработали теорию, которая показывает, как казалось бы пассивное облако свободных электронов, рожденных при ионизации газа мощным лазером, способно кардинально изменять саму квантовую природу этого лазерного света. Их работа, опубликованная в журнале Physical Review A и отдельно особо отмеченная редакцией (Editors’ Suggestion), предсказывает формирование так называемых неклассических и негауссовых состояний света, включая состояния с кольцеобразной функцией Вигнера, что открывает новые пути к созданию и управлению светом для будущих квантовых технологий.

Долгое время не мог разобраться в квантовой физике на глубоком уровне — не в формулах, а в понимании: что всё это значит? Теория струн казалась непреодолимым препятствием:  слишком много математики, непонятно с какой стороны подступиться, какие физические основы. Квантовую механику ещё как-то популяризируют, но про струны популярная наука обычно молчит.

Эта статья — попытка пройти путь «от нуля до героя»: от базовых принципов квантовой информации до теории струн, дуальностей и голографии. Не упрощая математику до метафор, но и не требуя докторской степени. Уровень — физмат-школа при МИФИ: серьёзно, но доступно.

Мы покажем, как квантовая информация порождает симметрии, симметрии требуют полей, поля организуются конформной инвариантностью, конформность приводит к струнам, а голография  замыкает круг: геометрия оказывается способом кодирования квантовой запутанности. В конце — программа экспериментальных проверок и честный ответ: действительно ли это «теория всего»?

Эта статья продолжает линию, начатую в предыдущей работе, где мы предложили рассматривать реальность не как совокупность объектов и свойств, а как сеть Корреляционных Паттернов — элементарных узоров связи, из которых эмерджируют пространство, время и материя. Теперь мы сделаем следующий шаг — попробуем понять, каким образом из той же реляционной ткани возникает сознание и смысл.

Если в первой статье речь шла о том, как из отношений рождается структура мира, то теперь нас интересует обратное направление: как структура мира начинает осознавать саму себя. Мы будем рассматривать сознание не как нечто добавленное к материи, а как особую фазу корреляционной динамики, где информация начинает рефлексировать собственные состояния.

Ученые из МФТИ, Всероссийского НИИ автоматики им. Н.Л. Духова (ВНИИА) и Института теоретической и прикладной электродинамики РАН (ИТПЭ РАН) разработали теоретическую модель, демонстрирующую неожиданную роль теплового шума в поведении сложных квантовых систем. Их исследование, опубликованное в журнале Physical Review A, показывает, что шум, обычно ухудшающий свойства системы, способен вызывать спонтанные переходы между состояниями с различной симметрией в специально спроектированной оптомеханической системе. Это открытие не только меняет взгляд на роль тепловых шумов  в физике, но и демонстрирует новые возможности в изучении кинетики фазовых переходов, связанных с нарушением так называемой PT-симметрии.

Вероятно, вам много раз доводилось читать, что такое кубиты, какие частицы могут применяться в качестве кубитов, и как их использовать. Кубиты – это информационные единицы, аналоги битов, используемые в квантовых компьютерах. Важнейшее свойство кубита — это возможность находиться в суперпозиции вплоть до того момента, как с кубитом провзаимодействуют (будет совершена вычислительная операция). В таком случае, какова материальная основа кубитов, что может служить носителем такой квантовой суперпозиции и, следовательно, информации? В современных квантовых компьютерах в качестве кубитов используются фотоны, электроны, ионы, квантовые точки и нейтральные атомы. Возможно, нейтральные атомы — одна из наиболее перспективных опций, и об этом на Хабре уже писал уважаемый @FirstJohn в статье «Лучшими кубитами для квантовых вычислений могут быть нейтральные атомы», переведённой для блога компании FirstVDS. Но в этой статье мы пойдём ещё глубже и поговорим о широком спектре материальных носителей, которые могут служить для операций с кубитами.

Ученые из МФТИ и Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» разработали теорию, позволяющую с беспрецедентной точностью описывать поведение сложных многоатомных молекул в сверхсильных электрических полях. Их работа, опубликованная в журнале Physical Review A, дает возможность создания новых методов для изучения структуры молекул, включая биомолекулы, и даже для различения их «зеркальных» форм, что критически важно для фармацевтики.

Российские исследователи из МФТИ, МИСИС и Российского квантового центра предложили новое семейство кодов квантовой коррекции ошибок, отличающихся низкими ресурсными затратами и специально адаптированных для кольцевой архитектуры квантовых процессоров, в частности, на основе сверхпроводниковых кубитов. Кроме того, они разработали и продемонстрировали эффективность инновационного декодера на основе нейронных сетей для исправления ошибок в этих кодах. Работа опубликована в журнале Physical Review A.

В конце октября мир облетела новость: исследователи Google впервые запустили на квантовом компьютере так называемый «проверяемый алгоритм». Но что скрывается за этой громкой формулировкой? Компания заявляет, что вычисления заняли на их устройстве в 13 тысяч раз меньше времени, чем потребовалось бы лучшему суперкомпьютеру классической архитектуры. В Google видят в этом ключ к решению практических задач, например, моделирования новых химических соединений. Однако за этим утверждением стоит целый ряд вопросов. Что такое «проверяемый алгоритм» и почему акцент сделан именно на этом? В чем суть расчетов и чем этот прорыв отличается от предыдущего заявления о «квантовом превосходстве», прозвучавшего несколько лет назад?

Российские ученые из ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН и МФТИ с коллегами разработали и детально исследовали новый метод прецизионного управления магнитными свойствами тонкопленочных структур, имеющих решающее значение для современных технологий магнитной записи, сенсоров и перспективных устройств спинтроники. Результаты работы опубликованы в Journal of Applied Physics.

Ученые из МФТИ, Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау и Физико-технического института им. А. Ф.  Иоффе провели теоретическое исследование диффузии экситонов. Они рассмотрели это физическое явление в муаровых сверхрешетках переходных металлов.

Международный коллектив ученых разработал новый метод параметризации машинно-обучаемых межатомных потенциалов для моделирования магнитных материалов, значительно повышающий надежность и точность предсказаний их свойств. Ключевым элементом нового подхода стало использование так называемых «магнитных сил» при обучении моделей межатомных взаимодействий. Статья опубликована в Computational Materials Science.

Коллектив ученых из МФТИ , ИТМО и их коллега из Китая провели глубокое теоретическое и численное исследование, проливающее свет на фундаментальные аспекты взаимодействия света с конечными структурами нанометрового масштаба. Эта работа позволяет лучше понять переход от свойств одиночных наночастиц к сложным оптическим явлениям в протяженных метаматериалах.

В своей статье Клим Бондарь, специалист инженерно-квантовой лаборатории ООО «СФБ Лаб», разбирает, как реализуется и чем опасна широкополосная атака Trojan Horse на систему КРК.

Автор объясняет, каким образом злоумышленник может использовать отраженный лазерный сигнал, чтобы получить сведения о состоянии квантовой системы, и показывает, какие методы защиты позволяют свести риск утечки информации к минимуму.

В последнее время я стал задумываться о том, существуют ли такие квантовые объекты и явления, для которых можно подобрать прямые макроскопические аналоги. В конце лета я рассказывал в этом блоге об удивительном квантовом процессе, происходящем в некоторых веществах (например, в спиновых льдах) и напоминающем одновременно лавину и пожар, то есть, распространение снега и огня. Есть и другой не менее интересный феномен такого рода, открытый инженерами IBM в середине 1990-х; он получил название «квантовый мираж». Чтобы понять, как он возникает, нужно немного рассказать о работе сканирующего туннельного микроскопа (STM), а также о мельчайших искусственных объектах, которые мы научились создавать (и вот уже более 30 лет ищем им применение: квантовых загонах.