Квантовые технологии

Квантовая физика родилась в 1900 году, когда Макс Планк предположил, что энергия поглощается не непрерывно, а отдельными порциями — квантами. Его идея получила дальнейшее развитие: фотоэлектрический эффект Эйнштейна, теория атома Бора, Резерфорд опытным путем показал, как выглядит ядро атома, Луи де Бройль стер границу между волнами и материей, Гейзенберг и Шрёдингер разработали квантовую механику.

Квантовую физику тяжело понять — её математический аппарат почти невозможно перевести на «человеческий» язык. Но «потрогать» её проявления в повседневной жизни вполне реально: лазеры, флэшки, компакт-диски, интегральные схемы или графен — все эти технологии появились благодаря квантовой физике. Логично, что ее решили использовать и для вычислений — в квантовых компьютерах.

Квантовые компьютеры кардинально отличаются от обычных: они обрабатывают информацию на порядок быстрее, а памяти у них больше экспоненциально. Уже сейчас экспериментальные образцы решают некоторые задачи быстрее, чем самые мощные суперкомпьютеры. Перспективы от внедрения квантовых компьютеров манят. С их помощью можно создать новые лекарства, композитные материалы прочнее титана и легче пластика, сверхпроводники, которые работают при комнатной температуре, добиться абсолютной безопасности шифрования или разработать универсальный искусственный интеллект. Но в реальности всё не так радужно. Всё потому, что мы пока не понимаем, что действительно умеет квантовый компьютер.


Анатолий Дымарский (Сколтех) — физик-теоретик, работает в области физики квантовых систем. Анатолий расскажет, чем квантовый компьютер отличается от обычного и что сулят его возможности IT-индустрии.

Специалисты по информатике определили новые рубежи знаний, проверяемых с помощью вычислений. А заодно решили значительные задачи из квантовой механики и чистой математики.

В 1935 году Альберт Эйнштейн совместно с Борисом Подольским и Натаном Розеном пытались справиться с возможностью, открывшейся вместе с новыми законами квантовой физики: с «запутанностью» двух частиц, которые при этом могут быть разделены огромным расстоянием.

В следующем же году Алан Тьюринг сформулировал первую обобщённую теорию вычислений и доказал существование проблем, в принципе неподвластных компьютерам.

Мы представляем Yao (статья), пакет с открытым исходным кодом Julia для решения практических задач в исследованиях квантовых вычислений. Имя Yao происходит от первого китайского иероглифа, означающего унитарность (幺正).

Эксперимент провели специалисты из Бристольского университета. Новая технология поспособствует развитию квантовых компьютеров на кремниевых схемах. Рассказываем, как устроена их система. Также рассмотрим несколько сторонних проектов, связанных с квантовой телепортацией.

Группа физиков из Австралии, Сингапура и Китая разработала технологию управления квантовым состоянием фотонов в вакуумном шуме. В перспективе решение увеличит точность квантовых вычислений.

Рассказываем, как устроена «самая тихая» система. Также поговорим о другом научном проекте — его участникам, наоборот, удалось сгенерировать самый громкий звук на планете.

Международная команда разработчиков заявляет, что их идеальную криптографию физически невозможно взломать

В непрекращающейся гонке создания и взлома цифровых кодов идея идеальной секретности парит где-то на горизонте наподобие миража. Недавняя исследовательская работа привлекла к себе как интерес, так и скептицизм, благодаря описанию того, как достичь идеальной секретности при передаче сообщений при помощи особых кремниевых чипов, генерирующих однократные ключи, которые невозможно воссоздать.

Современная криптография требует, чтобы компьютерные алгоритмы выполняли математически сложные процессы, превращающие обычные данные в тарабарщину. Обычно данные становятся нечитаемыми для любого человека, у которого нет цифрового ключа, раскрывающего математику, использованную для защиты этих данных – если только у оппонента не окажется достаточно вычислительных мощностей, чтобы взломать математически сложный код без ключа. Однако в опубликованном 20 декабря 2019 года в журнале Nature Communications исследовании заявляется об изобретении «криптографии идеальной секретности», которая будет оставаться в безопасности даже когда у оппонента появится доступ к квантовым компьютерам будущего.

Honeywell разместит квантовые компьютеры на пойманных ионах в квантовом облаке Microsoft

Уже много лет учёные разрабатывают различные системы, на которых можно было бы выполнять квантовые алгоритмы. У большей части из них есть одно-два преимущества – лёгкость в обращении или способность дольше других удерживать состояние – однако отсутствуют иные положительные качества, что не даёт им стать практическими решениями для вычислений. Однако в последние годы некоторые компании придумали, как манипулировать значительным количеством твердотельных кубитов – т.н. трансмонами. Поскольку технология производства трансмонов схожа с производством обычных чипов, многие игроки нарождающегося рынка – включая Google, IBM и Rigetti – остановились на трансмонах.

Однако и трансмоны не идеальны. Им требуются чрезвычайно низкие температуры, малая вариабельность от устройства к устройству, и состояние они удерживают хорошо, но не идеально. Многие специалисты в этой области считают, что у иной технологии всё ещё есть шансы превзойти трансмоны.

Нет, эта статья не про фантазии автора, патриотические песни или популистские размышления на тему. Это рассказ о том, как оно есть на самом деле. Как в одном конкретном ВУЗе создали условия, благодаря которым работать в нём вернулись те самые "утекшие мозги", уехавшие во всем известные времена заниматься наукой где угодно, где за это платили и где было современное оборудование. Но почему-то сейчас они приехали обратно, построили себе новые лаборатории, обучают студентов и продолжают заниматься любимым делом.

Вы сразу можете подумать: "Так это, наверное, какой-то ВУЗ особенный!" Возможно, но я не знаток вузовских рейтингов, поэтому расскажу только про то, что видел сам.

Итак, сегодня речь пойдёт про научные лаборатории в Московском Физико-Техническом Институте. Можно ли сделать что-то подобное в любом другом? Это вопрос к управляющим на местах. Может быть, уже и сделано, просто я был именно здесь и за всех остальных говорить не могу.

Изначально занесла меня нелёгкая в МФТИ с целью сделать нечто вроде обзорной экскурсии, но быстро выяснилось, что есть тема намного интересней: научная деятельность прямо в институтских стенах. Вот про неё мы и поговорим.

Сегодня мы с вами посетим лабораторию искусственных квантовых систем, лабораторию топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах и лабораторию терагерцовой спектроскопии. А по пути побеседуем с их обитателями о том, как появились эти лаборатории, чем занимаются и что скрывается за этими красивыми названиями — просто громкие термины или передовая наука.

Внимание! Под катом развесистый лонгрид. Я предупредил.

Через камеру микроскопа просматривается охлажденное лазером атомное облако. Предоставлено: Университет Отаго

В первом для квантовой физики исследовании ученые Университета Отаго «удерживали» отдельные атомы на месте и наблюдали ранее невидимые сложные атомные взаимодействия.

Родительская компания Google разрекламировала достижение квантового превосходства в прошлом году. Однако она ничего не рассказывает о секретной лаборатории X, где ещё одна группа разработчиков пишет программы для квантовых компьютеров

Директор Alphabet Сундар Пичаи рекламировал достижения компании в области квантовых вычислений в блогах и соцсетях

В октябре Google отметил прорыв, который директор Сундар Пичаи сравнил с первым полётом братьев Райт. Исследователи компании из Санта-Барбары, Калифорния, расположенной в 500 км от Googleplex, достигли квантового превосходства – того момента, когда квантовый компьютер выполняет вычисления, недоступные любому из обычных.

Это стало как примечательным событием в науке, так и возможностью для Google вырваться вперёд в соревновании крупных технокомпаний, где такие участники, как IBM и Microsoft пытаются дать нам безумные новые возможности, обещанные квантовыми компьютерами. Обычно скромный Пичаи увлёкся рекламой момента, написал пост в блоге, поучаствовал в таком редком событии, как интервью, и запостил в Instagram свою фотку рядом со сверкающей машиной, достигшей упомянутого результата.

Является ли эксперимент с котом Шредингера парадоксом?

Профессор поднял голову от стола и говорит:

– Здравствуй, мальчик. Ты зачем пришёл?

– Я хочу у вас про кота спросить.

– А что про кота?

– Допустим, у вас был кот …

Эдуард Успенский «Дядя Фёдор, пёс и кот»

Квантовая суперпозиция и роль наблюдателя в квантовой физике

Согласно квантовой механике если над частицей не производится наблюдение, то ее состояние описывается как квантовая суперпозиция (когерентная суперпозиция), т.е. смешение всех возможных альтернативных состояний в которых может находится частица.

Например, ядро атома за которым не производится наблюдение

За одну секунду вокруг и внутри нас происходит множество разнообразных и очень быстрых процессов. На то, чтобы один раз моргнуть нужно всего лишь 300 миллисекунд (0.3 с), а для одного разряда молнии хватит и 30 микросекунд (0.00003 с). Столь быстрые процессы поражают своей непродолжительностью, однако есть и те, скорость которых сложно даже представить.

Определенные химические реакции активируются за счет поглощения света. В первые мгновения после поглощения распределение электронов в электронной оболочке атома меняется, что сильно влияет на протекающую реакцию и ее исход. Эти электронные перестановки занимают невероятно малый временной отрезок, часто измеряемый в аттосекундах. А одна аттосекунда равна одной квинтиллионной доле секунды, т.е. 0.000000000000000001 секунд. Отследить такие быстрые процессы крайне сложно, но вполне реально. Сегодня мы познакомимся с исследованием, в котором ученые из Фрайбургского университета (Германия) создали новую методику, позволяющую наблюдать в реальном времени колебания электронов в электронной оболочке атомов благородных газов. Какие технологии легли в основу нового метода и что удалось зафиксировать? Ответы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Привет, Хаброжители! Квантовые вычисления не просто меняют реальность! Совершенно новая отрасль рождается на наших глазах, чтобы создать немыслимое ранее и обесценить некоторые достижения прошлого. В этой книге рассмотрены наиболее важные компоненты квантового компьютера: кубиты, логические вентили и квантовые схемы, а также объясняется отличие квантовой архитектуры от традиционной. Вы сможете бесплатно экспериментировать с ними как в симуляторе, так и на реальном квантовом устройстве с применением IBM Q Experience.

Вы узнаете, как выполняются квантовые вычисления с помощью QISKit (программный инструментарий для обработки квантовой информации), Python SDK и других API, в частности QASM.

Наконец, вы изучите современные квантовые алгоритмы, реализующие запутанность, генерацию случайных чисел, линейный поиск, факторизацию целых чисел и др. Разберетесь с состояниями Белла, описывающими запутанность, алгоритмом Гровера для линейного поиска, алгоритмом Шора для факторизации целых чисел, алгоритмами оптимизации и многим другим.

Привет, Хабр! Представляю вашему вниманию перевод статьи "Why the quantum internet should be built in space" из MIT Technology Review.

Физики считают, что лучший способ распространения квантовой сети по всему земному шару — огромное созвездие орбитальных спутников.

---

За авторством Emerging Technology from the arXiv

Квантовый интернет — это мечта многих инженеров, о которой говорят последние несколько лет. Идея в том, чтобы использовать необычные свойства фотонов и электронов для отправки невероятно защищенных сообщений.

Доказательство на стыке чистой математики и теории алгоритмов возвышает «квантовую запутанность» на совершенно новый уровень.

Фраза «I shit bricks» в статье от Nature — бесценно. Да, это настолько неожиданный результат, что Nature позволяет себе вольности. (от переводчика)

Квантовая запутанность находится в сердце нового математического доказательства.Credit: Victor De Schwanberg/Science Photo Library

План статьи:
1. Инфоповод – неожиданное заявление IBM на CES 2020.
2. А что же мы ожидали?
3. Технология квантовых компьютеров IBM развивается быстрее планов (в действительности – нет).
4. Возникновение новых отраслей прямо сейчас.
5. Мы угадали момент, вот наши книги для вас.

Традиционно на первой неделе января в Лас-Вегасе проходит крупнейшая международная выставка CES, где все ведущие технологические компании мира анонсируют львиную долю передовых разработок. Не исключение и IBM, неожиданно объявившая о первом коммерческом использовании своего новейшего квантового компьютера. Партнёром оказался автоконцерн Daimler. Его деятельность по разработке электромобилей потребовала произвести высокоточные вычисления для симуляций характеристик молекул (литий-сера), которые планируется взять за основу нового поколения автомобильных твердотельных аккумуляторов. Лидеры этого рынка в данный момент связывают ближайший большой скачок отрасли электрического транспорта именно с технологией твердотельных литиевых аккумуляторов. Использование для расчётов квантового компьютера оказалось более привлекательным, чем традиционные высокопроизводительные вычисления на суперкомпьютерах. И вот почему это прекрасно.

Приближается празднование Нового года. Для кого-то это двое суток на кухне ради десяти минут за столом, для кого-то — отличный повод собрать всех родных и близких, а для кого-то это чудеса, дедушка Мороз и, конечно же, подарки под елкой. Из года в год дети составляют список пожеланий для всемогущего седобородого волшебника (я про деда Мороза, не про Гендальфа), а родители изо всех сил стараются эти пожелания реализовать. Меняются времена, меняются и пожелания: раньше чадо радовалось деревянной лошадке, а сейчас подавай планшет. Но универсальным отличным подарком для детей (да и для взрослых, чего греха таить) всегда считалось LEGO.

Однако этот красочный конструктор может быть не только отличным развлечением для всех возрастов, но и крайне полезным составляющим элементом рефрижератора растворения, который применяется в разработке квантовых вычислительных машин. Ученые из университета Ланкастера (Великобритания) решили провести эксперимент по замораживанию блоков LEGO до температуры близкой к абсолютному нулю (−273,15 °C). Этот на первый взгляд странный опыт показал весьма любопытные результаты, подробности которых мы узнаем из доклада исследовательской группы. Поехали.

Одной из главных научных задач нашего времени стала гонка за создание первого полезного квантового компьютера. В ней участвуют тысячи физиков и инженеров. Свои концепты разрабатывают IBM, Google, Alibaba, Microsoft и Intel. Как мощное вычислительное устройство изменит наш мир, и почему это так важно?

Инженерное искусство влияет на быстродействие сильнее физики

Квантовый компьютер от IBM на 16 кубитах из 2017

В октябре 2019 компания Google заявила о достижении квантового превосходства – этим громким именем назвали тот этап развития квантовых компьютеров, на котором можно доказать, что они способны на то, на что не способны обычные. Заявление всё ещё остаётся спорным, поэтому ещё может оказаться, что нам нужна демонстрация получше.

Вне зависимости от этого заявления, интересно, что как Google, так и её критики из IBM выбрали в качестве основы для создания собственных квантовых компьютеров одну и ту же базу. Как и менее крупный их конкурент, Rigetti. Всё это говорит о том, что ландшафт квантовых вычислений более-менее стабилизировался за последнее десятилетие. Сейчас мы находимся в положении, когда можно выбрать вероятных победителей и определённых проигравших.

Квантовые компьютеры и квантовые вычисления — новый баззворд, который добавился в наше информационное пространство наряду с искусственным интеллектом, машинным обучением и прочими высокотехнологическими терминами. При этом мне так и не удалось найти в интернете материал, который бы сложил у меня в голове пазл под названием “как работают квантовые компьютеры”. Да, есть много прекрасных работ, в том числе и на хабре (см. Список ресурсов), комментарии к которым, как это обычно и бывает, еще более информативны и полезны, но картинка в голове, что называется, не складывалась.

А недавно ко мне подошли коллеги и спросили “Ты понимаешь как работает квантовый компьютер? Можешь нам рассказать?” И тут я понял, что проблема со складыванием в голове целостной картинки есть не только у меня.

В результате была сделана попытка скомпилировать информацию о квантовых компьютерах в непротиворечивую логическую схему, в которой бы на базовом уровне, без глубокого погружения в математику и структуру квантового мира, объяснялось что такое квантовый компьютер, на каких принципах он работает, а также какие проблемы стоят перед учеными при его создании и эксплуатации.