Вероятно, в какой-то момент, когда критическая масса развитых квантовых технологий, нашего понимания физики и экспертизы перевалит некую черту, начнется эра полностью квантовых машин. свежие новости дня в Москве, России и мире. Нобелевскую премию по физике в 2022 году за «эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенства Белла и новаторскую квантовую информатику» получили Ален Аспект (Франция), Джон Клаузер (США) и Антон Цайлингер (Австрия). Все самое интересное и актуальное по теме "Квантовая физика".
Физики доказали необратимость квантовой запутанности
Трехмерный мир — это удобно. Мы так привыкли. На самом деле в мире бесконечное число измерений. Давайте потренируем мозг, и вы увидите, как все логично и просто. Нарисуйте линию.
Существа, живущие в ней, двумерны, у них нет ширины, и они могут двигаться только взад и вперед. Но вы можете двигать всю линию. Это — «время» для двумерных существ. Идем в наш мир, и «время» двумерных существ становится нашей шириной, третьим измерением, которого у обитателей двумерного мира нет.
Но у нас самих есть время, которое мы интерпретируем как «прошлое, настоящее и будущее» и которое для обитателей других миров, с четырьмя измерениями, просто «еще одна ширина», а никакое не «прошлое». Но у них есть свое «время», и так далее. В результате мы получаем матрешку иллюзий. Добавьте к этому парадокс наблюдателя, которого мы уже касались.
Мир меняется, когда мы на него смотрим. Это — одна из основ квантовой механики, принцип неопределенности. Для физиков это не абстракция, а повседневная реальность: если ты наблюдаешь за объектом, «щупаешь» его фотонами, он уже не тот, который без тебя. Принцип неопределенности сформулировали в 1920-х, и он показался таким странным, что физики отказывались в него верить, даже когда он подтвердился тысячами опытов.
Принцип говорит: природа существует, лишь пока мы на нее смотрим. Соратник Нильса Бора, физик Паскуаль Джордан, сказал так: «Мы не наблюдаем реальность, мы ее создаем». В 1970-х Джон Уилер провел эксперимент, который показал: природа не просто меняется от нашего взгляда, она заранее «знает», будем ли мы на нее смотреть. Упомянутый выше квантовый компьютер как бы соединит исконное «знание» Вселенной с нашим сознанием.
Представим заброшенную деревню где-нибудь в глухой тайге. Принцип неопределенности на полном серьезе говорит, что, пока туда не забрела группа туристов, деревни нет. А если на деревню смотрит лиса, муравей? Они — наблюдатели?
Даже камень: он разогревается днем, и остывает ночью. В целом мир - система бесконечных взаимодействий. Муравей наблюдает камень, камень - Землю, та - Солнце. Это поразительно, но вашей деревни не было бы без туманности Андромеды.
Когда мы давим муравья, мы уничтожаем наблюдателя. Теоретически в этот момент где-то может погибнуть галактика. Честно, я об этом иногда думаю. Утешаю себя так: я не могу ходить, и не давить случайно муравьев, я так устроен.
Значит, так надо. С квантовой точки зрения Бог — это закон, который соединяет бесконечное число взаимодействий, от муравья до планеты. Формула Бога, если она существует — это теория всего, которую безуспешно ищут физики, начиная с Альберта Эйнштейна. Знаете, на что это похоже?
Вы сидите в комнате, в окна падает свет. Комнату еще пронизывают радиоволны, но вы их не видите. Включите приемник — и вот они. Но это еще не все.
Комната наполнена космическими лучами, радиацией, которая летит к нам из космоса и от которой не укрыться нигде. Далее, у комнаты есть прошлое, оно оставило какой-то след. Есть и будущее, и квантовая механика говорит, что будущее тоже присутствует «здесь и сейчас». Тот, кто видит все это вместе, и есть Бог.
Отсюда следует: чем больше ты видишь, чем шире твой кругозор, тем больше ты напоминаешь квантового Бога. Эйнштейн видел больше заурядного человека.
Похоже, что первый электрон мгновенно сообщает своему близнецу о том, что он проскочил через детектор. Но ведь никакого физического взаимодействия между ними нет, так как же они ухитряются общаться? Так что, если задуматься, копенгагенская интерпретация тоже не беспроблемна. Из этого тупика можно выбраться с помощью догадки Шрёдингера: система из двух связанных общим процессом рождения электронов принципиально нелокальна, так уж устроен мир. Отсюда с необходимостью следует, что квантовые корреляции сильнее классических. Тогда всё встает на свои места. Мы изготовили пару электронов в спутанном состоянии, отсюда и вся необычность их поведения в ЭПР-эксперименте. Но Шрёдингер сформулировал свою гипотезу словесно, для физики этого маловато.
Можно ли перевести ее на язык чисел, чтобы проверить с помощью измерений? Белловский прорыв Эту задачу первым поставил и успешно разрешил чрезвычайно одаренный ирландский физик, имя которого, к сожалению, и сейчас не слишком известно широкой публике. Уроженец Белфаста Джон Стюарт Белл 1928—1990 прожил недолго, злая судьба послала ему раннюю смерть от кровоизлияния в мозг. Он долго работал в Европейском центре ядерных исследований, где много сделал в области теории элементарных частиц и конструирования ускорителей. В 1964 году Белл, который тогда получил отпуск в ЦЕРНе ради временного пребывания в Брандейском и Висконсинском университетах, заинтересовался основами квантовой механики, в частности ЭПР-парадоксом. Результатом этих раздумий стало строгое математической доказательство возможности надежной экспериментальной проверки гипотезы существования спутанных состояний J. Bell, 1964. On the Einstein Podolsky Rosen paradox. Его иногда именуют теоремой Белла, хотя он сам в своей статье это название не использовал. Джон Белл 1979 год.
Фото с сайта en. Белл сформулировал первое из названных его именем неравенств, которые в принципе как раз и позволяют осуществить проверку гипотезы скрытых параметров. В содержательном плане суть его выводов состоит в утверждении, что никакое описание микропроцессов, основанное на этой гипотезе, не может объяснить все без исключения статистические результаты, получаемые в рамках стандартной квантовой механики. Со временем в теоретической физике возникло целое направление, посвященное поиску новых вариантов теоремы Белла. Математика первой статьи Белла в принципе не слишком сложна, но для воспроизведения в популярном тексте, конечно, не подходит. Однако суть его выводов можно передать и без технических деталей. Белл показал, как можно подтвердить или опровергнуть реальность спутанных состояний на основе бомовской версии мысленного эксперимента ЭПР. Во-первых, нужно использовать не два детектора спина, а не меньше трех, а еще лучше — четыре. Во-вторых, детекторы следует располагать не параллельно или ортогонально, а под произвольными углами. Вот идеальная схема такого контрольного эксперимента.
Пусть вновь имеется источник электронных пар с нулевым суммарным спином, посылающий частицы в противоположных направлениях, скажем влево и вправо. Поставим там по паре магнитных детекторов, повернув их по отношению друг к другу на произвольный угол. После каждого «включения» источника срабатывает один левый и один правый детектор, но какие именно — заранее не известно. А дальше — самое главное. В итоге получим функцию назовем ее S , зависящую от угла, под которым установлены детекторы для интересующихся, речь идет о математическом ожидании. Из теоремы Белла следует, что для неспутанных частиц значения этой функции при любом расположении детекторов всегда лежат в промежутке от минус двух до плюс двух это и есть одна из версий неравенства Белла. Такой вывод следует лишь из предположения, что каждый член любой электронной пары, уйдя от источника, сохраняет свое собственное состояние, не подвергаясь воздействию далекого близнеца. Если же это не так, если электроны-партнеры даже вдали от источника не локализованы в полностью автономных состояниях, а связаны друг с другом квантовомеханической спутанностью, то выполнение неравенства Белла не гарантируется. Более того, из квантовомеханических вычислений следует, что при каких-то ориентациях детекторов численное значение функции S может быть как больше двух, так и меньше минус двух. Следовательно, экспериментальная проверка неравенства Белла в принципе открывает путь к решению проблемы существования спутанных состояний.
Однако это было только начало длинной цепочки исследований. Белл в своей статье описал мысленный эксперимент, в котором могли бы быть проверены сделанные им выводы, однако его схема не годилась для реализации «в железе». Holt опубликовали работу с новой версией белловского неравенства, которая уже допускала экспериментальную проверку J. Clauser et al. Proposed experiment to test local hidden-variable theories. Эта статья, известная по ссылкам как CHSH, стала важным этапом в развитии белловского подхода к проверке основ квантовой механики. Клаузер, Аспе и другие Выполнить такую проверку удалось далеко не сразу. Изготовление и регистрация спутанных состояний — непростая задача. Первые опыты по верификации теоремы Белла проводились с поляризованными фотонами. Вместо бомовских пар спутанных электронов с нулевым полным спином в них использовали пары световых квантов с альтернативными модами поляризации например, вертикальной и горизонтальной , а вместо магнитных детекторов — поляризационные фильтры.
В 70-е годы подобные эксперименты ставились несколько раз. Самые интересные результаты в 1972 году получили Джон Клаузер и скончавшийся десять лет назад его аспирант Стюарт Фридман Stuart Freedman. Они в течение двух лет построили оптическую систему, которая на практике реализовала схему, описанную в статье CHSH, — правда, в модифицированной версии. В их эксперименте использовались световые кванты, испускавшиеся возбужденными атомами кальция. Источник света был расположен в центре экспериментальной установки, смонтированной на оптической скамье. Фотоны направлялись в противоположные концы скамьи и там проходили через пары поляризаторов, ориентированных под разными углами по отношению друг к другу. Эксперимент Клаузера и Фридмана в общей сложности продолжался 200 часов и в целом подтвердил нарушение неравенства Белла, которое они переписали применительно к своему протоколу. Однако соавторы не смогли исключить все потенциальные источники «загрязнения» собранных данных паразитной информацией. Конкретно, их протокол не гарантировал, что наблюдатели на обоих концах скамьи устанавливают поляризаторы полностью независимо друг от друга. Поскольку предположение о такой независимости было важной частью теоремы Белла, итоги эксперимента Клаузера и Фридмана нельзя было считать окончательными.
В середине 1970-х годов Клаузер продолжил изучение квантовой нелокальности, включая поиск обобщений теоремы Белла. Следующий шаг в 1981—82 годах сделали 35-летний аспирант Парижского университета Ален Аспе и трое его партнеров. Их экспериментальная установка с лазерной оптикой генерировала спутанные фотоны куда эффективнее и намного быстрее, нежели аппаратура предшественников. Кроме того, она была снабжена высокочастотными оптико-акустическими переключателями, которые позволяли каждые 10 наносекунд перенаправлять фотоны в различные поляризаторы и детекторы. В итоге Аспе и его партнерам удалось доказать нарушение неравенства Белла куда надежней, чем предшественникам. Конкретно, в их версии этого неравенства постулаты квантовой механики могли бы быть поставлены под сомнение, если бы значения функции S лежали в промежутке от нуля до минус единицы. Она не противоречила ожидаемому из квантовомеханических вычислений численному значению функции S, равному 0,112. Если бы их результат был выражен в терминах стандартной версии теоремы Белла, значение функции S составило бы приблизительно 2,7 — явное нарушение белловского неравенства. Результаты этого эксперимента были опубликованы 40 лет назад A. Aspect et al.
Схема установки, предложенной Аспе и его коллегами. В 1982 году с ее помощью они показали нарушение неравенств Белла. Спутанные фотоны излучаются кальциевым источником L в противоположных направлениях. Расстояние между поляризаторами составляет примерно 12 м. Рисунок из статьи A.
Однако теперь загадка решена — команда BNL обнаружила эффект, который отвечает за странное поведение глюонов в ядрах.
Как оказалось, глюоны рассредоточены в большей степени, чем казалось прежде, и из-за этого выглядели больше. Открытие можно использовать для разработки новых технологий, например, для изучения ядер ионов золота. И расширяет наше понимание квантовой физики и странных феноменов, которые возникают на атомном уровне. В прошлом году физики из Института Макса Планка сообщили о разработке эффективного метода создания квантовой запутанности между фотонами. Более того, они продемонстрировали его на рекордно большом количестве частиц света. Также по теме.
Цифровые технологии слишком медленны и слишком грубы. Интернет будущего будет квантовым и сольется с мозгом. Он будет называться "брейнет" англ.
Человек будет просто думать, а его мысли будут переноситься по всему миру, взаимодействуя с другими мыслями или вещами. Поэтому провода нам больше не понадобятся. Достаточно будет просто подумать, а брейнет сделает все остальное.
Человек будет просто думать, а его мысли станут расходиться по всему миру. Би-би-си: В последнее время многие ученые говорят об опасностях, связанных с распространением искусственного интеллекта. Каким вам представляется будущее в этой области?
На сегодняшний день человечеству угрожают три опасности: возможность ядерной войны, биологическое оружие и глобальное потепление. Однако к этому списку придется добавить и четвертую опасность: угроза существованию человечества, исходящая от искусственного интеллекта. Но его развитие чревато двумя потенциальными угрозами, и они совершенно разные.
Первая из них совершенно конкретна и непосредственно угрожает жизни отдельных людей: дроны, способные распознавать черты лица и намеренно или случайно убивать кого угодно и когда угодно. Таким образом, у нас появится автоматическая машина для убийства. Машина, которая сможет летать, которая сможет наблюдать за местностью, идентифицировать конкретного человека и убить его, например, устроив какую-нибудь аварию.
Сюда же можно отнести и войны, то есть преднамеренную попытку одной страны убить солдат страны-противника. И это произойдет в течение нескольких ближайших лет. Но вторая угроза более серьезна и носит более долгосрочный характер.
Она наступит тогда, когда у нас появится искусственный интеллект, приближающийся к интеллекту человека. Правда, до этого еще далеко. Но рано или поздно наши роботы сравняются в интеллекте с мышами.
Потом они станут такими же умными, как кролики. Затем наступит очередь собак и кошек, а под конец их мыслительные способности сравняются со способностями обезьян. В этот момент они и станут потенциально опасными, потому что обезьяны понимают разницу между обезьяной и человеком.
Вот я и думаю, что вполне возможно, что через 100 лет у нас появятся роботы, практически неотличимые от людей. К этому моменту мы должны сделать все возможное, чтобы у них не появилось собственное мнение и чтобы они ни в коем случае и помыслить не могли на нас напасть. Мы должны будем вставить в их мозг чип, который бы их отключал, если у них только возникнут мысли об убийстве.
Но я думаю, что до этого еще далеко и что в запасе у человечества еще масса времени, прежде чем искусственный интеллект достигнет подобного уровня. Непосредственную опасность представляют дроны, которые могут убивать без разбора кого угодно и где угодно. Джо Байдену показывают квантовый компьютер.
Новости квантовой физики
Свободная тема обо всем Поговорим о квантовой физике и просто о жизни на природе. Попьем чай. Вслушаемся в тишину, звуки природы и гитары. Добро пожаловать к нашему костру. Мы рады что Вы пришли именно сейчас! У нашего костра от дневных забот отдыхают люди, делятся опытом, рассказывают истории - иногда смешные, иногда поучительные. Присаживайтесь, располагайтесь поудобнее. Костер дает тепло и разгоняет мрак вокруг.
Они удостоились награды за открытие и синтез квантовых точек. Подробнее здесь. Разработан первый в мире квантовый аналог механического двигателя 28 сентября 2023 года японские исследователи из Окинавского института науки и технологий OIST сообщили о создании первого в мире квантового аналога механического двигателя. В работах приняли участие немецкие ученые из Технического университета Кайзерслаутерна-Ландау и Штутгартского университета. Предложенная концепция для получения энергии использует принципы квантовой механики вместо традиционного воспламенения топлива — как происходит, например, в двигателе внутреннего сгорания.
По словам авторов исследования, все молекулы, которые получаются в итоге, находятся в одном и том же состоянии, что полезно для создания больших партий идентичных молекул. Их предлагают, в частности, использовать в качестве кубитов в квантовых вычислительных устройствах. В Техасском университете в Эль-Пасо США заявили, что придумали магнитный материал, позволяющий манипулировать кубитами при комнатной температуре. Профессор Техасского университета в Эль-Пасо Ахмед Эль-Генди демонстрирует магнетизм нового материала для квантовых компьютеров А японские физики добились квантовой стабильности при комнатной температуре в молекуле красителя, встроенной в металлоорганический каркас. Хромофор окружает каркас из нанопористого кристаллического материала. Воздействуя на молекулу микроволновым излучением, ученые привели электроны в состояние квантовой когерентности и удерживали более 100 наносекунд. Фотонные инь и ян Команда ученых из Оттавского университета Канада и Римского университета Сапиенца визуализировала квантовую запутанность, использовав метод бифотонной голографии.
Они устроены таким образом, что ошибки в их работе автоматически корректируются, что позволяет вести сложные и длительные вычисления при их помощи. В 2023 году сразу несколько научных коллективов разработали квантовые процессоры на базе большого числа логических кубитов. Опыты с этими вычислительными машинами впервые на практике продемонстрировали то, что использование логических кубитов действительно позволяет уменьшать частоту появления ошибок при длительной работе компьютера. Один из самых масштабных проектов такого рода, квантовый компьютер на базе 48 логических кубитов, был создан в США группой Михаила Лукина, профессора Гарвардского университета. Постоянный адрес новости: eadaily.
Будущее квантовых компьютеров: перспективы и риски
Согласно квантовой теории, система из двух частиц в микромире существует в запутанном состоянии. То, что происходит с одной из частиц в паре, определяет то, что происходит с другой частицей. И эта закономерность — неклассическая корреляция, или запутанность, — сохраняется даже в тот момент, когда они находятся далеко друг от друга. Альберт Эйнштейн критиковал эту теорию: ведь способность частиц моментально «угадывать» состояние друг друга означала бы, что они обмениваются информацией быстрее скорости света, что противоречит постулатам теории относительности. По мнению Эйнштейна, должны были существовать некие скрытые параметры, узнав которые, ученые смогли бы вернуть квантовую теорию в русло детерминизма, то есть классической модели. А чтобы найти такие параметры, нужно было бы найти другие составляющие двухчастной системы, которые бы не меняли свои свойства при измерении, в отличие от запутанных частиц. Джон Стюарт Белл, работавший над этой проблемой, в 1960-х годах века предложил проверить наличие скрытых параметров при помощи неравенства которое сейчас называется теоремой Белла.
У нашего костра от дневных забот отдыхают люди, делятся опытом, рассказывают истории - иногда смешные, иногда поучительные. Присаживайтесь, располагайтесь поудобнее. Костер дает тепло и разгоняет мрак вокруг. Люди грелись у костра с начала времен, и даже в наш век скоростей, электричества и фастфуда многие из нас находят время чтобы выйти из города, и посидеть на полянке у костра. И один раз почувствовав магию живого огня - хочется возвращаться к нему снова и снова. Основные законы квантовой физики изучаются в рамках квантовой механики и квантовой теории поля и применяются в других разделах физики. Все современные космологические теории также опираются на квантовую механику, которая описывает поведение атомных и субатомных частиц. Квантовая физика сосредоточена только на математическом описании процессов наблюдения и измерения точнее формулы.
Адронный коллайдер частицы. Адронный коллайдер антиматерия. Большой адронный коллайдер черная дыра. Столкновение частиц в большом адронном коллайдере. Уравнения квантовой физики. Уравнение из квантовой физики. Квантовая лаборатория. Лаборатория квантовых компьютеров. Квантовый компьютер в медицине. Компьютер Квант. Ученые из МФТИ. Современные физики. Современные ученые России. Современные физики России. Лаборатория физики. Лаборатория квантовой оптики. Квантовая физика дорама. Квантовая физика фильм. Квантовая физика 2019. Квантовая физика корейский фильм. Разделы квантовой физики. Квантовые явления в физике. Применение квантовой физики. Квантовая теория. Теории в квантовой физике. Квантовая инженерия. ЮУРГУ лаборатории физика. Квантовая лаборатория МГУ. МГУ квантовые технологии. Квантовый компьютер МГУ. Экскурсия в центр квантовых технологий МГУ. Квантовая механика физика. Квант физикасы. Квантовый объект. Квантовая механика арт. Компьютерная инженерия. Ученый инженер. Компьютеры в инженерии. Книги о квантовой физике. Квантовая физика и сознание человека книги. Книги про квантовую физику и сознание. Книга о квантовой физике для начинающих. Квантовый компьютер IBM 2001. Квантовый процессор Sycamore. Квантум суперкомпьютер. Квантовый компьютер гугл Sycamore. Квантовый компьютер Росатом. Google Sycamore квантовый компьютер. Квантовый вычислитель. Архитектура квантового компьютера. Квантовая механика. Квантовая механика формулы. Илья Беседин. Квантовый процессор. Первый квантовый компьютер. Что изучает квантовая механика. Фундаментальных принципов квантовой физики квантовой механики. Формула потока квантовая физика. Классическая и квантовая механики. Радиофизика демонстратор.
В квантовых вычислениях она хранится в специальных устройствах с квантовыми свойствами, которые известны как квантовые биты или «кубиты». IBM 7 Qubit Device. Фото: Flickr В лаборатории Йельского университета их создают из сверхпроводящих цепей, охлаждаемых до температур в 100 раз ниже, чем в открытом космосе. Каждый кубит представляет единицу или ноль, или, как ни странно, и единицу, и ноль одновременно. Этот «квантовый параллелизм» — одно из свойств, которое позволяет квантовым компьютерам выполнять вычисления. Потенциально — на несколько порядков быстрее, чем это возможно на классических суперкомпьютерах. В чем проблема квантовых вычислений? Однако квантовые системы хрупки. Их преследует фундаментальное явление декогеренции — процесс, при котором информация, хранящаяся в кубитах, быстро теряет свои квантовые свойства в результате их взаимодействия с окружающей средой. Простыми словами любое вмешательство внешней среды мешает работе таких систем, делая их невозможными. Это не дает реализовать квантовые компьютеры повсеместно.
Квантовая физика
Армия России захватила опорный пункт ВСУ: новости СВО на вечер 16 декабря. Нобелевскую премию по физике в 2022 году за «эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенства Белла и новаторскую квантовую информатику» получили Ален Аспект (Франция), Джон Клаузер (США) и Антон Цайлингер (Австрия). В частности, в квантовой физике постулируется, что квантовые законы реализуются на сверхмалых расстояниях и в мире сверхмалых частиц. Группа посвящена Квантовой физике и всем смежным областям науки. В основном публикуются новые статьи о теоретических и прикладных исследованиях, программы для вычислений, книги и видео. В Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН прошла международная конференция, посвященная 60-летию учреждения.
Квантовая физика
| Новости квантовой физики | свежие новости дня в Москве, России и мире. |
| Нобелевка по физике за изучение квантовой запутанности — что это значит | Научный руководитель Центра квантовых технологий МГУ Сергей Кулик представил современное состояние квантовых технологий в России и в мире на научном семинаре Национального центра физики и математики (НЦФМ) в рамках Десятилетия науки и технологий. |
| Физики обнаружили гигантский невзаимный перенос заряда в топологическом изоляторе | В 1990–2013 годах занимался экспериментальной физикой в университете Инсбрука и Венском университете. В 2004–2013 годах возглавлял Институт квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI) Австрийской академии наук. |
| Восторг и ужас Вселенной: Как квантовая физика перевернула мир и почему она наводит жуть | Знай наших квантовая физика. В НИТУ МИСиС создали алгоритм для моделирования работы полупроводниковых лазеров НОВОСТИ Знай наших. |
| Восторг и ужас Вселенной: Как квантовая физика перевернула мир и почему она наводит жуть | Все новости с тегом. Квантовые технологии. |
Физики обнаружили гигантский невзаимный перенос заряда в топологическом изоляторе
Одно из ключевых явлений квантовой физики — квантовая запутанность частиц: изменение, произошедшее с одной частицей, приводит к изменению другой частицы, находящейся на расстоянии от первой. В частности, физикам из МГТУ удалось за 2023 год создать прототип квантового процессора на базе сверхпроводников и разные компоненты квантовых устройств. В данном обзоре новостей представлены последние открытия в физике и астрофизике. Нобелевскую премию по физике в 2022 году за «эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенства Белла и новаторскую квантовую информатику» получили Ален Аспект (Франция), Джон Клаузер (США) и Антон Цайлингер (Австрия). В 1973 году физик Филип Андерсон описал ее в своей теории, отметив, что она бы сыграла ключевую роль в создании квантовых компьютеров.
ЖУТКОЕ НА ЖУТКОМ
- 1. Создание имплантов, поднявших на ноги парализованного пациента
- Физики открыли новый тип квантовой запутанности
- Популярное
- В Китае создан 504-кубитный чип для квантового суперкомпьютера. На подходе 1000-кубитный
- Российские учёные развивают технологии на основе квантовой физики вместо классической
- Физики открыли новый тип квантовой запутанности
Чем занимались физики в 2023 году
Изучение суперхимии открывает дорогу к ускорению химических реакций, а суперпарамагнетизма — к созданию очень мощных и быстрых компьютеров, работающих при комнатной температуре. Подробности — в обзоре новостей квантовой физики. Новый эксперимент подтверждает краеугольное предположение о квантовых вычислениях; удваивая жизнь кубита, исследователи доказали ключевую теорию квантовой физики. Новости дня от , интервью, репортажи, фото и видео, новости Москвы и регионов России, новости экономики, погода.
Подписка на дайджест
- Квантовые точки: что это такое и почему за них дали нобелевскую премию?
- Квантовая физика • AB-NEWS
- Что такое квант
- Смотрите также
В МФТИ назвали главный прорыв года в квантовой физике
Фактически квантовые явления в виде группового взаимодействия электронов можно использовать как макрообъекты, что упростит эксперименты в области квантовой физики и позволит использовать эти явления в обычной электронике и не только. Или построить новые методы долгосрочной защиты информации на основе квантовой и постквантовой криптографии, которые будут устойчивы к широкому классу атак, поскольку их надёжность сводится к фундаментальным законам физики. Уже лет пять как в сети ходят новости о прорывах в квантовых вычислениях.
Новости по теме: квантовая физика
Ученые впервые обнаружили эффекты, предсказанные квантовой гравитацией — одной из физических теорий, призванной объединить квантовую механику с общей теорией относительности Эйнштейна. В этом видео представлена инновационная разработка в области эволюционной науки, которая предлагает новый взгляд на природу нашей Вселенной. Эта гипотеза нав. Новости дня от , интервью, репортажи, фото и видео, новости Москвы и регионов России, новости экономики, погода.
Восторг и ужас Вселенной: Как квантовая физика перевернула мир и почему она наводит жуть
| Чем занимались физики в 2023 году | Наука и жизнь | Уже лет пять как в сети ходят новости о прорывах в квантовых вычислениях. |
| Впервые обнаружен эффект квантовой гравитации: Наука: Наука и техника: | В 1964 году физик Джон Белл придумал, как различить в эксперименте две версии квантовой механики — ортодоксальную и со скрытыми параметрами. |
| Чем занимались физики в 2023 году | Наука и жизнь | Физики считают, что бесконечный размер Мультивселенной может быть бесконечно больше. Мало того, что Бог играет в кости, в этом огромном казино квантовой физики. |
| Распутать квантовую запутанность: за что дали «Нобеля» по физике - Hi-Tech | Что представляет собой физика полупроводников? Почему полупроводники всегда будут сохранять свою актуальность, несмотря на развитие квантовых технологий? |
Квантовая физика
Этот эффект совместного туннелирования стал неожиданностью». Открытие даёт надежду на создание квантовых датчиков и других электронных приборов. Фактически квантовые явления в виде группового взаимодействия электронов можно использовать как макрообъекты, что упростит эксперименты в области квантовой физики и позволит использовать эти явления в обычной электронике и не только. Достигается это на сложных установках. Можно ожидать, что в нашем обычном мире больших и тяжёлых объектов тоже есть место для квантовой неопределённости, но доказать это прямым наблюдением очень и очень сложно. Однако учёные не сдаются. Одно из зеркал детектора LIGO.
Это позволяет понять контринтуитивные законы квантовой механики, но это не приближает нас к детектированию квантовых явлений на макроуровне. Свой вариант натурного эксперимента по фиксации квантовой неопределённости в больших объектах предложили учёные из Университетского колледжа Лондона UCL , Университета Саутгемптона в Великобритании и Института Бозе в Индии. Это два тоннеля по 4 км, соединённых под прямым углом буквой Г. По тоннелям многократно с отражением курсирует луч лазера, который способен фиксировать искажения пространства-времени при прохождении через детектор гравитационной волны. Эту же систему можно использовать для выявления квантовой неопределённости с макрообъектами без строгих ограничений по массе и энергии, считают учёные. В каждом из тоннелей можно подвесить зеркала на концах маятников или мишени, заслоняющие основные зеркала датчика и запускать в них по паре вспышек лазера с заданным интервалом.
Если квантовая неопределённость в нашем большом мире есть, то первый импульс нарушит движение маятника — в этом проявится так называемый эффект наблюдателя, а второй импульс зафиксирует отклонение от расчётной траектории. С математической точки зрения эксперимент должен подтвердить или опровергнуть соблюдение двух условий неравенства Леггетта-Гарга. Оно должно выполняться для всех условий классического мира. Если при взаимодействии с 10-кг зеркалами одно из этих условий не выполнится, значит, объект проявит свойства квантовой неопределённости. С точки зрения математики это будет означать, что вы в данный момент с большой вероятностью сидите на стуле перед монитором, но также с бесконечно малой но отнюдь не нулевой вероятностью можете находиться на Луне, Марсе или в галактике Андромеда. Главное, что для доказательства подобной возможности не придётся рисковать жизнью кошки, хотя сам по себе эксперимент с зеркалами в установке LIGO потребует нетривиального оборудования и условий.
Статья об исследовании опубликована в журнале Physical Review Letters. Также она доступна на сайте arxiv. Такие батареи будут работать вне привычной причинно-следственной логики, и обещают превзойти классические химические элементы при накоплении электрической энергии и даже тепла. Источник изображений: Chen et al. CC-BY-ND Многим наверняка известно, что при покупке некоторых недорогих аккумуляторов китайского производства логику тоже можно смело отключать. Но учёные из Токийского университета и Пекинского исследовательского центра вычислительных наук по-настоящему заинтересовались возможностью квантовых явлений в аккумуляторах.
Интересно, что проблемой занялись специалисты в сфере информационных технологий, а не материаловеды. И немудрено, затронутая проблематика тесно связана с квантовой природой информации или, по крайней мере, в значительной степени её касается. По мнению учёных, квантовые аккумуляторы могут найти применение в различных портативных устройствах с низким энергопотреблением, особенно когда возможностей для подзарядки недостаточно. На это были нацелены первые опыты, и они увенчались успехом. Одно из открытых преимуществ квантовых батарей заключается в том, что они должны быть невероятно эффективными, но это зависит от способа их зарядки. Нас особенно интересует то, как квантовые частицы могут нарушать одно из наших самых фундаментальных ощущений — восприятие времени».
Учёные провели серию экспериментов со способами зарядки квантовой батареи с использованием оптических устройств, таких как лазеры, линзы и зеркала. Представленная выше схема лабораторной установки была далека от чего-либо, напоминающего привычный аккумулятор. В конечном итоге удалось добиться зарядки батареи способом, который потребовал проявления квантового эффекта вне повседневной логики. Заряд проходил в состоянии квантовой суперпозиции, когда условно два зарядных устройства одновременно заряжали один аккумулятор. В обычной жизни нужно было заряжать аккумулятор сначала одним, затем подключать другое зарядное устройство, а первое отключать. Опыт показал, что с учётом квантовых явлений обе зарядки могут работать одновременно.
Более того, эксперимент подтвердил явную абсурдность процесса. Оказалось, что маломощное зарядное устройство быстрее и эффективнее заряжает аккумулятор, чем более мощное. Феномен неопределенного причинно-следственного порядка или ICO, который исследовала команда, может найти применение не только для зарядки нового поколения маломощных устройств. Лежащие в их основе принципы, включая раскрытый здесь эффект обратного взаимодействия, могут улучшить выполнение других задач, связанных с термодинамикой или процессами, которые включают передачу тепла. Одним из многообещающих примеров являются солнечные панели, где тепловые эффекты могут снизить их эффективность, но вместо этого можно использовать ICO, чтобы смягчить этот негативный эффект и привести к повышению эффективности. Это произошло в Лаборатории холодного атома NASA Cold Atom Lab на борту Международной космической станции и стало ещё одним шагом на пути внедрения в космосе квантовых технологий, доступных в настоящее время только на Земле.
Принцип охлаждения атомов с помощью лазеров. На МКС лаборатория попала в 2018 году и с тех пор учёные на Земле — прибор управляется дистанционно — провели с её помощью множество экспериментов. В частности, установка помогла создавать квантовый газ — конденсат Бозе-Эйнштейна, который в условиях микрогравитации вёл себя достаточно интересно. Но недавно учёные NASA заявили, что им удалось создать в камере лаборатории конденсат Бозе-Эйнштейна из смеси двух атомов: калия и рубидия. А где есть смесь различных химических веществ, там появляются реакции. Фактически учёные создали основу для проведения в космосе экспериментов по квантовой химии, что раньше было возможно только в земных условиях на очень сложных и громоздких установках.
Кроме того, перенос квантовой химии в космос — в условия микрогравитации — позволяют изучать квантовые явления с недоступной на Земле точностью для целого ряда экспериментов. Наконец, это путь к появлению в космосе приборов, опирающихся на квантовые явления. От этого выиграет связь, навигация и многое другое, что ещё предстоит открыть. Если в обычных металлах возникала сверхпроводимость и мгновенно исчезала на какой-то чёткой температурной отметке, то сопротивление странных металлов при изменении температуры менялось линейно. Этому не было внятного объяснения, пока это недавно не сделали физики из США. Как минимум, учёные обосновали ряд характерных свойств «странных металлов».
Стройная теория может помочь ответить на вопросы о достижении сверхпроводимости при высоких температурах и помочь в разработке квантовых компьютеров. Квантовая механика стала тем инструментом, который помог разобраться в вопросе. Новая теория опирается на два ключевых свойства странных металлов. Во-первых, электроны в таких металлах могут запутываться друг с другом — переходить в абсолютно идентичные квантовые состояния — и оставаться в таком состоянии даже при удалении на значительные расстояния друг от друга. Во-вторых, странные металлы имеют неоднородное, похожее на лоскутное, расположение атомов. Неравномерность атомной структуры странного металла означает, что запутанность электронов зависит от того, в каком месте материала она произошла.
Такое разнообразие вносит хаотичность в импульс электронов при их движении через материал и взаимодействии друг с другом. Вместо того чтобы течь вместе, электроны сталкиваются друг с другом во всех направлениях, что приводит к электрическому сопротивлению.
Информация должна быть подтверждена ссылкой на официальный первоисточник. Для примера: ссылка на другую группу в Одноклассниках не будет являться таким подтверждением. Создавать темы 1. Обсуждать темы в комментариях. Жаловаться на нарушителей. Тема должна быть: 2. Текстовая часть может быть небольшая из двух, трех предложений.
В конце темы должна стоять ссылка на Оригинальный источник.
Он рассмотрел пару одинаковых квантовых частиц с половинным спином, изначально изготовленную так, чтобы их полный спин равнялся нулю. К примеру, такую пару можно получить при распаде бесспиновой частицы. Для определенности назовем эти частицы электронами.
После распада они станут удаляться от зоны рождения в различных направлениях. Поставим на их пути магнитные детекторы, измеряющие спин. В идеальной модели такого прибора электроны движутся сквозь щель, пронизанную параллельными силовыми линиями постоянного, но неоднородного магнитного поля на деле, естественно, всё несколько сложнее. Из-за своей квантовой природы до измерения спин вообще не имеет определенной ориентации, а после него он ориентируется либо в направлении поля, либо против него скажем, вверх или вниз, если поле вертикально.
Теперь проведем ЭПР-эксперимент «по Бому». Пусть один детектор сообщил, что спин «его» электрона направлен вверх. Теперь можно утверждать, что спин второго электрона глядит вниз. И опыт это подтверждает.
Пусть второй электрон движется в сторону более удаленного детектора с такой же ориентацией поля. Этот прибор с некоторой задержкой отметит, что электронный спин направлен вниз, как и ожидалось. Таким образом, мы достоверно предсказали спин второй частицы, никак на нее не воздействуя. Согласно логике ЭПР, направление ее спина считается элементом физической реальности.
В чем же парадокс? Допустим, что детекторы ориентированы иначе, скажем слева направо. Если спин одного электрона смотрит вправо, мы должны заключить, что спин второго направлен влево. Странный это элемент физической реальности, если его можно изменять по собственному усмотрению!
Но это еще полбеды. Установим теперь ближний детектор вертикально, а дальний — ортогонально ему, слева направо. Если наблюдатель у первого детектора увидит, что спин смотрит вверх, он посчитает, что спин электрона-партнера направлен вниз. Однако второй прибор регистрирует значения спина не по вертикали, а перпендикулярно ей.
Квантовомеханические расчеты показывают, что при повторении этого эксперимента спин второго электрона в половине случаев будет смотреть вправо, а в половине — влево. Тогда второй наблюдатель вроде бы сможет с полным основанием заключить, что спин первого электрона направлен, соответственно, влево или вправо. В итоге выводы двух наблюдателей окажутся несовместимыми друг с другом. Что же делать с физической реальностью?
С точки зрения Бора, никакого парадокса тут нет. Если ориентация спина возникает лишь в ходе измерения, то не приходится говорить о ней вне экспериментального контекста. Однако вспомним, что мы вольны в выборе детекторов. Откуда спину заранее знать, в каком направлении его измерят?
Похоже, что первый электрон мгновенно сообщает своему близнецу о том, что он проскочил через детектор. Но ведь никакого физического взаимодействия между ними нет, так как же они ухитряются общаться? Так что, если задуматься, копенгагенская интерпретация тоже не беспроблемна. Из этого тупика можно выбраться с помощью догадки Шрёдингера: система из двух связанных общим процессом рождения электронов принципиально нелокальна, так уж устроен мир.
Отсюда с необходимостью следует, что квантовые корреляции сильнее классических. Тогда всё встает на свои места. Мы изготовили пару электронов в спутанном состоянии, отсюда и вся необычность их поведения в ЭПР-эксперименте. Но Шрёдингер сформулировал свою гипотезу словесно, для физики этого маловато.
Можно ли перевести ее на язык чисел, чтобы проверить с помощью измерений? Белловский прорыв Эту задачу первым поставил и успешно разрешил чрезвычайно одаренный ирландский физик, имя которого, к сожалению, и сейчас не слишком известно широкой публике. Уроженец Белфаста Джон Стюарт Белл 1928—1990 прожил недолго, злая судьба послала ему раннюю смерть от кровоизлияния в мозг. Он долго работал в Европейском центре ядерных исследований, где много сделал в области теории элементарных частиц и конструирования ускорителей.
В 1964 году Белл, который тогда получил отпуск в ЦЕРНе ради временного пребывания в Брандейском и Висконсинском университетах, заинтересовался основами квантовой механики, в частности ЭПР-парадоксом. Результатом этих раздумий стало строгое математической доказательство возможности надежной экспериментальной проверки гипотезы существования спутанных состояний J. Bell, 1964. On the Einstein Podolsky Rosen paradox.
Его иногда именуют теоремой Белла, хотя он сам в своей статье это название не использовал. Джон Белл 1979 год. Фото с сайта en. Белл сформулировал первое из названных его именем неравенств, которые в принципе как раз и позволяют осуществить проверку гипотезы скрытых параметров.
В содержательном плане суть его выводов состоит в утверждении, что никакое описание микропроцессов, основанное на этой гипотезе, не может объяснить все без исключения статистические результаты, получаемые в рамках стандартной квантовой механики. Со временем в теоретической физике возникло целое направление, посвященное поиску новых вариантов теоремы Белла. Математика первой статьи Белла в принципе не слишком сложна, но для воспроизведения в популярном тексте, конечно, не подходит. Однако суть его выводов можно передать и без технических деталей.
Белл показал, как можно подтвердить или опровергнуть реальность спутанных состояний на основе бомовской версии мысленного эксперимента ЭПР. Во-первых, нужно использовать не два детектора спина, а не меньше трех, а еще лучше — четыре. Во-вторых, детекторы следует располагать не параллельно или ортогонально, а под произвольными углами. Вот идеальная схема такого контрольного эксперимента.
Пусть вновь имеется источник электронных пар с нулевым суммарным спином, посылающий частицы в противоположных направлениях, скажем влево и вправо. Поставим там по паре магнитных детекторов, повернув их по отношению друг к другу на произвольный угол. После каждого «включения» источника срабатывает один левый и один правый детектор, но какие именно — заранее не известно. А дальше — самое главное.
В итоге получим функцию назовем ее S , зависящую от угла, под которым установлены детекторы для интересующихся, речь идет о математическом ожидании. Из теоремы Белла следует, что для неспутанных частиц значения этой функции при любом расположении детекторов всегда лежат в промежутке от минус двух до плюс двух это и есть одна из версий неравенства Белла. Такой вывод следует лишь из предположения, что каждый член любой электронной пары, уйдя от источника, сохраняет свое собственное состояние, не подвергаясь воздействию далекого близнеца. Если же это не так, если электроны-партнеры даже вдали от источника не локализованы в полностью автономных состояниях, а связаны друг с другом квантовомеханической спутанностью, то выполнение неравенства Белла не гарантируется.
Более того, из квантовомеханических вычислений следует, что при каких-то ориентациях детекторов численное значение функции S может быть как больше двух, так и меньше минус двух. Следовательно, экспериментальная проверка неравенства Белла в принципе открывает путь к решению проблемы существования спутанных состояний. Однако это было только начало длинной цепочки исследований. Белл в своей статье описал мысленный эксперимент, в котором могли бы быть проверены сделанные им выводы, однако его схема не годилась для реализации «в железе».
Holt опубликовали работу с новой версией белловского неравенства, которая уже допускала экспериментальную проверку J. Clauser et al.
Что такое кванты? Как мы можем пользоваться их открытием? И почему квантовые роботы лучше обычных? Что такое квант "Мы вот-вот оставим цифровой век позади, и наступит квантовая эра, которая принесет невообразимые научные и социальные изменения. Миром станут править квантовые компьютеры", — заявил физик, популяризатор науки и футуролог Мичио Каку. Но что же такое кванты и почему ученые говорят о революции?
То есть, чтобы вы понимали, мир, который нас окружает, все, из чего он состоит, это элементарные частицы. И квант — это одна из элементарных частиц", — пояснил кандидат технических наук, доцент Московского технического университета связи и информатики Олег Колесников. И все это обеспечивает невероятную скорость работы суперкомпьютера. А квинтиллион — это цифра с 18 нулями. Сравнивать скорость работы Frontier со скоростью работы вашего ноутбука, это как сравнивать скорость улитки и сверхзвукового истребителя", — отметил профессор машиностроения и физики Массачусетского технологического института Сет Ллойд. А все потому, что в основе японского чуда — не обычные процессоры, а квантовые. Ведь большинство квантовых компьютеров могут работать только при температурах, близких к абсолютному нулю, когда все замедляется и "шум" окружающей среды минимален", — рассказал руководитель группы экспериментальных квантовых вычислений компании — производителя квантовых компьютеров Джери Чоу. Но дело не только в размерах.
Долгожданный прорыв: квантовые вычисления стали более надежными
Процесс сложный, но ученые излучают уверенность и делают кубиты также на сверхпроводниках, которым нужны экстремально низкие температуры. Уже есть успехи — американская IT-компания , например, в конце 2022 года представила процессор, внутри которого 433 кубита. Теоретически в нем может одновременно содержаться на много порядков больше бит информации, чем атомов в наблюдаемой Вселенной. Но решить какую-то задачу гораздо быстрее обычного компьютера, то есть «продемонстрировать квантовое превосходство», такой процессор пока не может — слишком нестабильны элементы. Подобные удачи, впрочем, уже случались. Физики из Китая, например, создали квантовый компьютер, работающий на фотонах, и за 200 секунд он провел бозонную выборку — это мегасложное вычисление, на которое могло уйти полмиллиарда лет работы самого быстрого суперкомпьютера. В этом году квантовый вычислитель обещают уже использовать в медицинских целях. Его установят в клинике города Кливленд в США. Он поможет выявлять новые штаммы вирусов и займется поиском лекарств от болезни Альцгеймера.
Но есть и опасения по поводу новой технологии. Наталья Малеева, старший научный сотрудник криолаборатории электронных систем НИТУ МИСиС: «Квантовый компьютер — это разложение больших чисел на простые множители, это несортированный поиск.
В каждом из тоннелей можно подвесить зеркала на концах маятников или мишени, заслоняющие основные зеркала датчика и запускать в них по паре вспышек лазера с заданным интервалом. Если квантовая неопределённость в нашем большом мире есть, то первый импульс нарушит движение маятника — в этом проявится так называемый эффект наблюдателя, а второй импульс зафиксирует отклонение от расчётной траектории. С математической точки зрения эксперимент должен подтвердить или опровергнуть соблюдение двух условий неравенства Леггетта-Гарга. Оно должно выполняться для всех условий классического мира. Если при взаимодействии с 10-кг зеркалами одно из этих условий не выполнится, значит, объект проявит свойства квантовой неопределённости.
С точки зрения математики это будет означать, что вы в данный момент с большой вероятностью сидите на стуле перед монитором, но также с бесконечно малой но отнюдь не нулевой вероятностью можете находиться на Луне, Марсе или в галактике Андромеда. Главное, что для доказательства подобной возможности не придётся рисковать жизнью кошки, хотя сам по себе эксперимент с зеркалами в установке LIGO потребует нетривиального оборудования и условий. Статья об исследовании опубликована в журнале Physical Review Letters. Также она доступна на сайте arxiv. Такие батареи будут работать вне привычной причинно-следственной логики, и обещают превзойти классические химические элементы при накоплении электрической энергии и даже тепла. Источник изображений: Chen et al. CC-BY-ND Многим наверняка известно, что при покупке некоторых недорогих аккумуляторов китайского производства логику тоже можно смело отключать.
Но учёные из Токийского университета и Пекинского исследовательского центра вычислительных наук по-настоящему заинтересовались возможностью квантовых явлений в аккумуляторах. Интересно, что проблемой занялись специалисты в сфере информационных технологий, а не материаловеды. И немудрено, затронутая проблематика тесно связана с квантовой природой информации или, по крайней мере, в значительной степени её касается. По мнению учёных, квантовые аккумуляторы могут найти применение в различных портативных устройствах с низким энергопотреблением, особенно когда возможностей для подзарядки недостаточно. На это были нацелены первые опыты, и они увенчались успехом. Одно из открытых преимуществ квантовых батарей заключается в том, что они должны быть невероятно эффективными, но это зависит от способа их зарядки. Нас особенно интересует то, как квантовые частицы могут нарушать одно из наших самых фундаментальных ощущений — восприятие времени».
Учёные провели серию экспериментов со способами зарядки квантовой батареи с использованием оптических устройств, таких как лазеры, линзы и зеркала. Представленная выше схема лабораторной установки была далека от чего-либо, напоминающего привычный аккумулятор. В конечном итоге удалось добиться зарядки батареи способом, который потребовал проявления квантового эффекта вне повседневной логики. Заряд проходил в состоянии квантовой суперпозиции, когда условно два зарядных устройства одновременно заряжали один аккумулятор. В обычной жизни нужно было заряжать аккумулятор сначала одним, затем подключать другое зарядное устройство, а первое отключать. Опыт показал, что с учётом квантовых явлений обе зарядки могут работать одновременно. Более того, эксперимент подтвердил явную абсурдность процесса.
Оказалось, что маломощное зарядное устройство быстрее и эффективнее заряжает аккумулятор, чем более мощное. Феномен неопределенного причинно-следственного порядка или ICO, который исследовала команда, может найти применение не только для зарядки нового поколения маломощных устройств. Лежащие в их основе принципы, включая раскрытый здесь эффект обратного взаимодействия, могут улучшить выполнение других задач, связанных с термодинамикой или процессами, которые включают передачу тепла. Одним из многообещающих примеров являются солнечные панели, где тепловые эффекты могут снизить их эффективность, но вместо этого можно использовать ICO, чтобы смягчить этот негативный эффект и привести к повышению эффективности. Это произошло в Лаборатории холодного атома NASA Cold Atom Lab на борту Международной космической станции и стало ещё одним шагом на пути внедрения в космосе квантовых технологий, доступных в настоящее время только на Земле. Принцип охлаждения атомов с помощью лазеров. На МКС лаборатория попала в 2018 году и с тех пор учёные на Земле — прибор управляется дистанционно — провели с её помощью множество экспериментов.
В частности, установка помогла создавать квантовый газ — конденсат Бозе-Эйнштейна, который в условиях микрогравитации вёл себя достаточно интересно. Но недавно учёные NASA заявили, что им удалось создать в камере лаборатории конденсат Бозе-Эйнштейна из смеси двух атомов: калия и рубидия. А где есть смесь различных химических веществ, там появляются реакции. Фактически учёные создали основу для проведения в космосе экспериментов по квантовой химии, что раньше было возможно только в земных условиях на очень сложных и громоздких установках. Кроме того, перенос квантовой химии в космос — в условия микрогравитации — позволяют изучать квантовые явления с недоступной на Земле точностью для целого ряда экспериментов. Наконец, это путь к появлению в космосе приборов, опирающихся на квантовые явления. От этого выиграет связь, навигация и многое другое, что ещё предстоит открыть.
Если в обычных металлах возникала сверхпроводимость и мгновенно исчезала на какой-то чёткой температурной отметке, то сопротивление странных металлов при изменении температуры менялось линейно. Этому не было внятного объяснения, пока это недавно не сделали физики из США. Как минимум, учёные обосновали ряд характерных свойств «странных металлов». Стройная теория может помочь ответить на вопросы о достижении сверхпроводимости при высоких температурах и помочь в разработке квантовых компьютеров. Квантовая механика стала тем инструментом, который помог разобраться в вопросе. Новая теория опирается на два ключевых свойства странных металлов. Во-первых, электроны в таких металлах могут запутываться друг с другом — переходить в абсолютно идентичные квантовые состояния — и оставаться в таком состоянии даже при удалении на значительные расстояния друг от друга.
Во-вторых, странные металлы имеют неоднородное, похожее на лоскутное, расположение атомов. Неравномерность атомной структуры странного металла означает, что запутанность электронов зависит от того, в каком месте материала она произошла. Такое разнообразие вносит хаотичность в импульс электронов при их движении через материал и взаимодействии друг с другом. Вместо того чтобы течь вместе, электроны сталкиваются друг с другом во всех направлениях, что приводит к электрическому сопротивлению. Поскольку электроны сталкиваются тем чаще, чем горячее материал, электрическое сопротивление растёт вместе с температурой, что и наблюдается на практике. Там где у обычных металлов происходит скачок при переходе от сверхпроводимости к резкому увеличению сопротивления, странные металлы продолжают пропускать ток с плавным увеличением сопротивления току. Ключевым в новой теории стало то, что физики объединили два явления — запутанность и неоднородность, что раньше не рассматривалось для одного материала, а по отдельности это не приводит к странному поведению металлов.
Тем самым учёные предлагают механизм по коррекции условий сверхпроводимости в странных металлах. Искусственно созданные неоднородности могут воспроизвести сверхпроводимость в нужном месте с заданными целями, что может найти применение, например, в квантовых вычислителях. Когда вы можете на что-то влиять, это способно привести к желаемому результату. Радарные технологии тоже ждут квантового превосходства. Классические радары слепнут в условиях сильных помех, тогда как эффект квантовой запутанности способен прорвать эту пелену. Французские учёные заявили , что они добились успеха на новом направлении и показали 20-процентное превосходство квантовых радарных технологий над классическими. Учёные создали схему, в которой происходит запутывание двух микроволновых фотонов квантов энергии , один из которых летит к цели, отражается от неё и в окружении шумов возвращается к источнику, где сравнивается с «холостым» фотоном, с которым он находится в состоянии квантовой запутанности.
Эффект запутанности позволяет с большой точностью детектировать сигнал и выделяет его даже на фоне очень сильных помех. В теории эта разница может достигать четырёхкратного превосходства квантовых радаров, но для эксперимента даже такого преимущества достаточно, чтобы дальше работать в этом направлении.
Поэтому хотелось бы, чтобы текущая ситуация не касалась напрямую возможностей для научного сотрудничества. Страны между собой обмениваются учёными, и это в карьере учёного совершенно нормально: закончить первую ступень образования в одной стране, потом поступить в магистратуру в другой стране, в аспирантуру — в третьей, а работать — вообще в четвёртой, пятой.
Потом вернуться к себе на родину или остаться. Это абсолютно нормальные этапы развития. Есть такой тренд во всех странах мира: после определённого цикла получения опыта учёным стараются создать условия для работы в родной стране. Здесь пример демонстрирует Китай со своей национальной программой «1000 талантов».
Она позволила вернуть огромное количество учёных — и сделать значительный скачок в квантовых технологиях и не только. Именно это становится основным трендом. Успешно у нас возвращают мозги? Есть примеры успешных возвратов.
Вот я учился во Франции, а когда передо мной стоял выбор, куда поехать, я поехал работать в лабораторию в России. Есть примеры моих коллег, которые либо полностью вернулись, либо проводят здесь существенную часть своего времени. Но мы привыкли к термину «утечка мозгов», боимся его. Приведу пример: в Германии очень существенный процент людей уезжают после аспирантуры работать в Америку.
Но там никто не говорит о какой-то утечке мозгов. Люди за океаном набираются опыта, потом возвращаются и создают в Германии передовые лаборатории. В одном из ведущих немецких научных центров очень много людей именно с опытом работы в Северной Америке. Поэтому наш фокус должен быть не на величине оттока и связанном с этим расстройстве, а на создании условий для притока.
А что может и должно сделать государство, чтобы этот научный импульс не пропал? Мне кажется, очень важный аспект — это долгосрочные программы финансирования. Вот сейчас есть замечательная программа, которая работает в масштабе 3—5 лет, — гранты Российского научного фонда, которые позволяют молодым учёным создать собственную научную группу с очень большой степенью поддержки. Во многом благодаря поддержке РНФ была создана и моя собственная научная группа.
Для этой президентской программы горизонт — три года, после которых грант могут пролонгировать. Для людей, которых мы хотим привлечь, наверное, можно было бы создавать ещё более простые цепочки более долгосрочных программ финансирования с горизонтом в 10—20 лет. Ведь во многих научных областях для получения результатов необходимо не три года, а пять, десять, пятнадцать лет с изменением стратегии по ходу дела. Сейчас всё так бурно развивается, что спланировать что-либо на долгий срок невозможно.
Так что нужны гибкость и готовность изменять планы, и одновременно долгосрочное планирование. Так мы создадим более привлекательные условия. Однако, повторюсь, уже достигнуты замечательные результаты в создании системы поддержки передовых исследований. Имеет ли смысл вкладываться в квантовые технологии сейчас?
Как у нас вообще обстоят дела с частным финансированием в этом секторе? Моя точка зрения здесь довольно радикальна: нет вопроса, можно ли вкладываться, есть ответ, что не вкладываться нельзя. В своё время отсутствие должной степени внимания к некоторым областям, таким как микроэлектроника, сейчас привело к определённым сложным последствиям. И совершенно понятно, что все развитые страны много инвестируют в квантовые технологии не случайно, поскольку видят в них очень серьёзный потенциал.
Здесь основное финансирование — и в России, и в мире — идёт от государства. Понятно почему: оно фундаментальное и достаточно наукоёмкое. С другой стороны, есть и подвижники, частные компании. Например, я могу сказать, что Газпромбанк сильно помогает Российскому квантовому центру, Росатом направляет свои частные средства на финансирование Дорожной карты квантовых вычислений.
Важно увеличивать эту пропорцию частного финансирования — не в абсолютном значении денег, а скорее в росте возможности сфокусироваться на тех задачах, которые в будущем будут интересны индустриальному партнёру, инвестору. Не просто создать квантовый компьютер, а создать квантовый компьютер с алгоритмами и методами, делающими возможным следующий этап его применения. Я думаю, что без вовлечения частных инвесторов и их участия деньгами и экспертизой это так не заработает. Какие препятствия есть у квантовой науки, чтобы перейти из плоскости теории и чисто научных изысканий к созданию реального продукта, меняющего общество?
В общем и целом сейчас есть два основных препятствия. С одной стороны, квантовые технологии развивать сложно, здесь много есть сложных наукоёмких вопросов, на которые ещё предстоит найти ответы. Например, мы до сих пор ищем ту элементную базу, тот физический принцип, на котором квантовые компьютеры будут построены.
При этом ожидания уже очень высоки.
Государственные и частные компании по всему миру, заинтересованные люди ждут появления коммерческих квантовых компьютеров. Поэтому область в каком-то смысле находится между двух огней. С одной стороны — необходимость решать сложные задачи, а с другой — завышенные ожидания, которые поторапливают учёных. Как вообще может измениться общество и мир с развитием этих технологий?
Что касается изменения жизни, при появлении масштабируемого квантового компьютера станет возможным решение самых разных сложных задач, принципиально недоступных для классических суперкомпьютеров. Искать новые материалы, моделируя их на квантовом уровне, новые типы батарей, лекарств, новые способы получения различных химических соединений. Очень точно измерять параметры окружающей среды. Решать сложные оптимизационные задачи — для такой страны, как Россия, те же логистические задачи приводят к очень большому эффекту в связи с масштабом.
Или построить новые методы долгосрочной защиты информации на основе квантовой и постквантовой криптографии, которые будут устойчивы к широкому классу атак, поскольку их надёжность сводится к фундаментальным законам физики. А это, с учётом тренда на рост количества данных, требующих защиты, очень важно. А не оставит ли широкое внедрение квантовых технологий без работы каких-то специалистов? Пока сложно себе это представить.
Пока что это инструмент для решения сложных вычислительных задач, и на этом этапе человек для программирования квантового компьютера будет необходим. Сможет ли он сделать какие-то рутинные задачи более лёгкими в исполнении — да, как и искусственный интеллект. Но как мы видим на примере ИИ, даже с ним пока не произошло массового высвобождения человеческого ресурса. Люди просто переквалифицируются на более сложные и творческие задачи, с квантовыми технологиями произойдёт нечто похожее.
Одной из тем ваших научных изысканий был квантовый блокчейн. В чём преимущества квантового блокчейна перед обычным и где его можно применять? Как раз потому, что технология блокчейн в какой-то момент набрала очень большую популярность, мы обратили на неё внимание. Нам было интересно понять перспективы развития и внедрения этой технологии.
Основной хайп вокруг блокчейна был связан с приписываемой ему большой степенью защищённости данных, прозрачности и т. Но когда мы стали подробно анализировать, стало понятно, что все эти замечательные свойства так или иначе сводятся к определённым криптографическим элементам, например цифровым подписям, механизмам консенсуса. Таким образом блокчейн оказывается устойчив ровно в той мере, в какой устойчива его криптография. А одно из применений квантовых компьютеров — возможность быстрого криптоанализа попросту говоря, взлома , сводящая на нет защищённость многих традиционных криптографических алгоритмов.
И многие традиционные блокчейны неустойчивы перед атаками квантовых компьютеров. И мы поняли, что при построении блокчейнов нужно использовать метод с использованием квантовых же технологий, конкретно — квантовых цифровых подписей или постквантовой криптографии, которые делают блокчейн устойчивым перед такими атаками. И вот это сочетание квантов и блокчейна даёт нам эффект, гарантирующий долгосрочную информационную безопасность. Одна из форм предложенного нами квантового блокчейна в пилотном режиме была развернута на одной межбанковской платформе и использовалась для защиты транзакций.
Его индустриальное применение станет возможным, когда появятся квантовые сети достаточного масштаба. Верно ли, что с появлением таких сетей придётся довольно быстро реформировать всю IT-сферу? Нам же потребуется новая безопасность, новая криптография, чтобы существование квантовых компьютеров не становилось глобальной угрозой… Да, это так. Я бы даже сказал более радикально: даже без распространения квантовых компьютеров такая необходимость просматривается.
Уже зная о возможности такой угрозы, необходимо уже сейчас принимать её во внимание и думать о соответствующих изменениях принципов построения информационных систем. Одна из вещей, которая делается прямо сейчас на государственном уровне в ведущих странах мира, — стандартизация решений, устойчивых к квантовому взлому. То есть квантовых ключей и квантовой криптографии. В России этим занимается Технический комитет 26 , который разрабатывает и анализирует новые типы устойчивых криптографических алгоритмов.
Из них сформируют стандарт. Впоследствии с помощью этого стандарта можно будет проводить апгрейд информационных систем. Здесь есть несколько возможностей. Во-первых, квантовое распределение ключей — хардверная технология, которая лучше всего подходит для приложений, требующих очень высокого уровня защиты канала для передачи данных, например между дата-центрами.
Во-вторых, постквантовая криптография — программное решение, использующее новые квантово-устойчивые алгоритмы, которые лучше интегрируются в мобильную пользовательскую инфраструктуру, в веб-приложения. Уже сейчас ясны инструменты, но нужно пройти путь по их анализу и стандартизации, чтобы начать работу по их масштабному внедрению. Первые элементы таких внедрений мы уже видим. Появление квантового компьютера в России — дело какого времени?