Квантовые технологии

Привет, Хабр! Это «Физтех.Science» — видеоблог-погружение в этот странный, странный научный мир. Мир, в котором каждый день открывают что-то совершенно невообразимое: графен, гравитационные волны, пятиугольники. Мир, в котором нам самим интересно разбираться.

Сегодня смотрим, что может ответить наука на извечные вопросы про выбор и свободу воли? Могут ли случайности быть случайными? Для этого отправляемся в захватывающий мир суперпозиции состояний, корпускулярно-волнового дуализма и анекдотов про кота Шредингера. В микромир.

Предупреждаем: чрезмерное изучение квантмеха вызывает преисполнение в познании и слияние с бесконечно-вечным во всем его фрактальном подобии. Желаем вам приятного и неприятного просмотра одновременно!

Хабр, привет! Хочу поделиться своими размышлениями, которые возникли в результате изучения вопросов, связанных с квантовыми вычислениями. Прошу прощения за то, что в посте нет картинки, но думаю, что любое изображение будет лишь сбивать с толку и уводить от сути вопроса. Буду рад если кто-нибудь что-либо прокомментирует и поможет мне глубже разобраться в этих вопросах…

Постановка проблемы

Начну с того, что для построения квантовых компьютеров нужна довольно твердая теоретическая основа, свободная от парадоксов и противоречий. Квантовая механика появилась достаточно давно, но она была неполной из-за известных всем нестыковок.

Самым главным препятствием на пути на мой взгляд, являлась то, что никак не удавалось формализовать понятие коллапса волновой функции. И исключить из процесса измерения роль субъективного сознания. Как теорию не выворачивали наизнанку в разных интерпретациях, все равно все сводилось, что должен где-то быть наблюдатель, который в конце концов и решит, что действительно происходит. Абсурдность ситуации подытожил Эйнштейн, как всегда в своей ироничной, но довольно жесткой ко всем фантазерам манере: “Неужели Вы правда думаете, что Луна не существует, пока Вы на нее не смотрите”. Но несмотря на это, сам Эйнштейн так и не смог выдвинуть концепцию, снимающую противоречия и находящуюся в согласии с результатами экспериментов.

Те же самые коды, требующиеся для предотвращения ошибок в квантовых компьютерах, могут придавать ткани пространства-времени присущую ей прочность

В игрушечных «голографических» вселенных (даже если и не в нашей, настоящей) ткань пространства-времени возникает на основе сети квантовых частиц. Физики обнаружили, что это работает по принципу квантового исправления ошибок.

В 1994-м математик из исследовательского подразделения AT&T по имени Питер Шор мгновенно прославил квантовые компьютеры (КК), открыв, что эти гипотетические устройства могли бы быстро раскладывать большие числа на множители – тем самым ломая большую часть современной криптографии. Но на пути реального создания КК стояла фундаментальная проблема: естественная неустойчивость их физических компонентов.

В отличие от двоичных битов информации обычных компьютеров, кубиты состоят из квантовых частиц, у которых есть вероятность нахождения в одном из двух состояний, обозначаемых |0> и |1>, в одно и то же время. При взаимодействии кубитов их возможные состояния становятся взаимозависимыми, и шансы оказаться в состояниях |0> и |1> зависят друг от друга. Пропорциональные вероятности растут тем более, чем сильнее после каждой операции кубиты становятся запутанными друг с другом. Поддержка и управление этим экспоненциально растущим количеством одновременных возможностей и делают КК теоретически мощными.

Физики из Университетов Торонто, Осаки и Тоямы представили концепцию квантового повторителя, который не использует ячейки квантовой памяти и способен работать при комнатной температуре. В перспективе он позволит реализовать масштабные квантовые сети.

Рассказываем, в чем заключается инновация.

Команда Microsoft Quantum рада анонсировать Q# Coding Contest – зима 2019! В этом конкурсе вы можете проверить свои навыки квантового программирования, решая задачи квантовых вычислений на Q#. Победители получат футболку Microsoft Quantum!

Квантовые вычисления — это принципиально другая вычислительная парадигма по сравнению с классическими вычислениями. На самом деле, они настолько отличаются, что некоторые задачи, которые считаются классически неразрешимыми (такие как разложение целых чисел или моделирование физических систем), могут эффективно выполняться на квантовом компьютере. В 2017 году Microsoft представила Quantum Development Kit, который включает язык программирования Q#. Q# может использоваться с Visual Studio, Visual Studio Code или командной строкой, в Windows, macOS и Linux.

В 1803 году некий джентльмен опубликовал труд, в котором описывал эксперимент, доказывающий волновую теорию света. Этим джентльменом был Томас Юнг, а его опыт носил название «эксперимент с двумя щелями». Прошло уже более двух веков, но опыт Юнга не был забыт и даже стал фундаментом нового метода рентгеновской спектроскопии, который позволяет более детально изучить физические свойства твердого тела. Итак, почему опыт Юнга считается одним из основополагающих в физике, как его применили современные ученые и что у них из этого получилось мы узнаем из доклада исследовательской группы. Поехали.

Исследователи в парижской лаборатории впервые показали, что квантовые методы передачи информации лучше классических

Квантовые коммуникации позволяют отправлять информацию определённого типа, используя экспоненциально меньше битов, чем требуется для классических коммуникаций

Квантовые компьютеры всё ещё остаются мечтой, но эра квантовых коммуникаций уже наступила. Новый эксперимент в Париже впервые продемонстрировал, что квантовые коммуникации превосходят классические способы передачи информации.

«Мы первыми показали квантовое преимущество в области передачи информации, которой должны поделиться две стороны, чтобы выполнить полезную задачу», — сказала Элен Диаманти, инженер-электрик из Сорбонны, и соавтор результата, полученного вместе с Иорданисом Керенидисом, специалистом по информатике из Университета Дидро в Париже, и с Нираджем Кумаром.

В рамках проходящей в данный момент выставки CES 2019 подразделение IBM Research провело анонс первой в мире квантовой системы, пригодной для коммерческого применения.

Некоторые идеи ярко зарождаются и быстро умирают ввиду сложности, дороговизны или даже ненужности реализации. Акулы-убийцы с лазерными установками на голове — звучит очень круто, очень сложно и невероятно нелепо. Однако некоторые идеи в своей реализации обещают если не «золотые горы», то как минимум горшочек золота. Это касается и квантовых компьютеров, которые обещают быть супер мощными, супер быстрыми и очень энергоэффективными. Звучит заманчиво, не так ли? Вот и многие ученые думают так же. Реализация квантовых вычислений требует решения многих проблем. И сегодня мы с вами будем знакомиться с исследованием, в котором ученые решили улучшить показатели скорости посредством создания так называемого кубитового гибрида. Что это такое, из чего оно состоит и как работает мы узнаем из доклада исследовательской группы. Поехали.

Новогодние праздники подходят к концу, а значит самое время подвести итоги года вместе с Американским физическим сообществом. Год выдался интересным по всем фронтам – и фундаментальными открытиями, и техническими достижениями.

Мы добавили правила на основе квантовой теории в шашки, чтобы сделать их менее предсказуемыми и сломать стандартные тактики игры. Это не просто игра, это интерактивное представление квантовой теории с такими эффектами как суперпозиция и квантовая запутанность.

Лаборатория Чикагского университета, где изучаются так называемые квантовые повторители

Многие технологические компании современности, включая такие крупные, как IBM, Google, Alibaba, разрабатывают квантовые компьютеры. В той либо иной степени продвинулись практически все игроки рынка. Специалисты считают, что квантовые технологии — это будущее, поэтому корпорации готовы вкладывать миллионы долларов США в разработку новых систем.

Квантовый компьютер, как считают, сделает практически бесполезными современные методы защиты информации. Самые сложные протоколы шифрования могут быть взломаны квантовым компьютером за секунды. Лидером в квантовой гонке является Китай — похоже на то, что руководство Поднебесной хорошо понимает перспективы квантовых технологий.

В 2019 году Google планирует провести соревнование вычислительных машин и сравнить производительность своего 72-кубитного чипа Bristlecone с возможностями суперкомпьютера НАСА Pleiades. ИТ-гигант планирует показать, что квантовое превосходство достижимо. Под катом — подробнее о тестах и возможных сложностях, с которыми столкнутся в компании.

В прошлом материале мы говорили о перспективах квантовых сетей и сложностях, которые стоят перед их разработчиками. Сегодня расскажем, над какими проектами работают отечественные и иностранные исследователи. Если вам интересна эта тема, приглашаем под кат.

Ох уж эти квантовые технологии. Они заполонили умы ученых по всему миру, как Pokemon GO в свое время заполонил умы пользователей смартфонов. Сравнение конечно не самое хорошее, ибо первые принесут пользу, второе — принесло толпы людей в парках, но далеко не ради свежего воздуха или пикника. Сегодня мы будем разбираться в исследовании, нацеленом на создании масштабируемого квантового процессора, умеющего находить и исправлять ошибки. Для работы такого процессора требуется контроль над множеством кубитов (квантовых битов) параллельно, пока протекает процесс обнаружения ошибок среди выбранных кубитов. То есть жонглируем одной рукой, а второй показываем карточные фокусы. Задача, мягко говоря, не из легких. Давайте же узнаем как ученые из Австралии смогли реализовать такой сложный замысел на практике. Поехали.

По оценкам немецких исследователей из Общества Макса Планка, глобальную квантовую сеть удастся реализовать уже в ближайшие несколько лет. Расскажем, какие здесь есть сложности.

«Наше исследование перенесло эти удивительные и сложные события, называемые жизнью, в микроскопический мир атомов – и это сработало»

Международная команда исследователей впервые использовала квантовый компьютер для создания искусственной жизни – симуляции живых организмов, которую учёные могут задействовать, чтобы разобраться в жизни на уровне популяций и ниже, вплоть до межклеточных взаимодействий.

На квантовом компьютере отдельные живые организмы, представленные на микроскопическом уровне при помощи сверхпроводящих кубитов, заставляли «спариваться», взаимодействовать с окружающей средой и «умирать», моделируя важнейшие из факторов, влияющих на эволюцию.

Новое исследование, опубликованное в журнале Scientific Reports, стало прорывом, который, возможно, в итоге поможет ответить на вопрос о том, можно ли объяснить происхождение жизни квантовой механикой – физической теорией, описывающей Вселенную в терминах взаимодействий между субатомными частицами.

Урмила Махадев провела восемь лет в магистратуре в поисках ответа на один из наиболее базовых вопросов квантовых вычислений: откуда нам знать, что квантовый компьютер сделал хоть что-то на квантовом уровне?

Весной 2017 года Урмила Махадев оказалась в неплохом положении, с точки зрения большинства аспирантов. Она только что решила важнейшую проблему квантовых вычислений – области изучения компьютеров, черпающих свои возможности из странных законов квантовой физики. Вместе с более ранними её работами, новый результат Махадев, описывающий т.н. «слепые вычисления», сделал «очевидным тот факт, что она является восходящей звездой», — сказал Скот Ааронсон, специалист по информатике из Техасского университета в Остине.

Махадев, которой на тот момент было 28, уже седьмой год была в магистратуре в Калифорнийском университете в Беркли – гораздо дольше, чем срок, который требуется большинству студентов, чтобы потерять терпение и захотеть уже закончить обучение. И вот, наконец, она смогла составить «прекрасную докторскую диссертацию», — сказал Умеш Вазирани, её куратор в Беркли.

«Счастье можно найти даже в тёмные времена, если не забывать обращаться к свету». Эти слова сказал вымышленный персонаж, который довольно далек от науки. Но в нашем мире ученые частенько обращаются к свету в поисках своего истинного счастья — новых открытий. А из чего, так сказать, состоит свет? Из фотонов. Эта элементарная частица стала основой для множества открытий, технологий и исследований. Но до сего дня полностью ее свойства никому точно не известны. Но это не мешает ученым продолжать использовать фотоны в своих трудах, практических или теоретических. Сегодня мы с вами будем знакомиться с исследованием фотонной системы, которая по словам ученых позволит заполучить полный контроль над энергией и фазой фотонов. Для этого необходимо использовать свойства атомных и молекулярных систем, где возможен контроль над состоянием электронов посредством внешнего электромагнитного поля. Как, зачем и почему — узнаем из доклада исследователей. Поехали.

Многие технологии сильно изменились с момента своего изобретения. Их совершенствование подпитывалось различными исследованиями и открытиями, каждое из которых находило новые способы реализации, будь то материалы, модели системы или новые алгоритмы. Визуально одним из самых ярких примеров являются вычислительные устройства. Когда-то они занимали целые комнаты и весили по несколько тонн, а сейчас у каждого из нас есть мобильный телефон, чья мощность в разы превышает те габаритные компьютеры. Но процесс минимизации устройств и их составляющих далек от завершения, ибо пока есть куда уменьшать, ученые будут изобретать новые способы чтобы этого достичь. Сегодня мы поговорим об исследовании, которое как раз может сильно повлиять на процесс минимизации, а точнее об опытном подтверждении теории одномерных электронов, которой уже без малого 56 лет. Поехали.