Квантовый компьютер с необычайным быстродействием, квантовая связь, которую невозможно взломать, «картирование» человеческого мозга… Футурологи и ученые в последние годы щедро длятся прогнозами развития квантовых технологий. Чем вызван подобный оптимизм и как скоро ожидания станут реальностью. Пробуем разобраться.
Сначала о том, почему в последнее десятилетие эта область физики стала часто упоминаться именно в прикладном аспекте. В прошлом веке квантовая механика прошла этап эпохальных фундаментальных открытий. Планк, Эйнштейн, Гейзенберг, Шрёдингер – эти великие физики стали основоположниками отдельного раздела физики, заметно отличающегося от классической механики. Но дальнейшее развитие этого направления научной мысли ограничивали, прежде всего, технические возможности, которыми располагали физики.
Однако на рубеже веков появилась качественно новая аппаратура для исследований (спасибо очередной технологической революции или новому технологическому укладу – кому какой термин ближе). До этого времени физики в своей работе применяли т.н. «ансамблевый подход»: изучали большие коллективы квантовых частиц. Теперь же – получили возможность работать с индивидуальными объектами. И это принесло свои результаты.
Сегодня мы можем говорить о появлении междисциплинарной области знаний – квантовой обработке информации. В ней выделилось три основных направления: квантовая (коммуникация) связь, квантовые вычисления и квантовое моделирование.
Когда говорят о квантовой связи, имеют в виду, прежде всего, создание таких коммуникаций, которые невозможно взломать. Это обеспечивается созданием принципиально новой концепции обмена информацией, над которой работают научные коллективы по всему миру. Ведутся такие работы и новосибирскими физиками (наш портал уже рассказывал про это). Ведущим разработчиком этого направления в России является Институт физики полупроводников им. Ржанова СО РАН. В 2003 году ученые института собрали первую экспериментальную установку, с которой и началась история отечественной квантовой криптографии.
В силу понятных причин большая часть работ по всему миру выполняется по заказу вооруженных сил и спецслужб, и потому объективно оценить, насколько наука продвинулась в данном направлении, сложно.
Но кое о чем рассказывалось и в открытых публикациях. В отличие от традиционной криптографии, которая использует математические методы, чтобы обеспечить секретность информации, квантовая криптография сосредоточена на физике, рассматривая случаи, когда информация переносится с помощью объектов квантовой механики. Процесс отправки и приёма информации всегда выполняется физическими средствами, например, при помощи электронов в электрическом токе или фотонов в линиях волоконно-оптической связи.
Если в классической системе оптоволоконной связи каждый импульс содержит до миллиарда фотонов, несущих информацию (и часть их можно перехватывать системами подслушивания), то в системах с квантовой криптографией действует правило «один импульс – один фотон». И когда «шпион» попытается измерить его, то по законам квантовой механики, произойдут изменения и система связи получит сигнал тревоги (поскольку импульс из одного фотона нельзя поделить и он просто не дойдет до своего получателя или дойдет измененным). Еще более осложняет задачу перехвата установка режима, когда только один из десяти импульсов содержит фотон с нужной информацией. И правильное считывание обеспечивает только наличие у получателя детектора с уникальными настройками регистрации «нужных» фотонов.
Главной задачей для современных исследователей является увеличение дальнодействия и скорости передачи информации. Сегодня передовые модели позволяют передавать данные на расстояние немногим более 100 км со скоростью до Кб/сек. Конечно, с такими характеристиками квантовые сети неспособны конкурировать с обычными «оптоволоконками». Но им уже по силам переслать получателю пароль, который невозможно перехватить. А уже с этим паролем адресат может расшифровывать пакеты информации, полученные по традиционным высокоскоростным каналам. Что делает данную технологию в перспективе интересной для банков. А по мере удешевления и распространения, она может стать такой же обыденностью интернет-платежей, какой сегодня является протокол SSL.
А еще, уверены физики, криптографией квантовую коммуникацию ограничивать не стоит. Ее возможности, связанные с мгновенной передачей информации на расстояние, намного шире.
Равно как и возможности квантовых вычислений. Или – квантового компьютера, о котором также много говорят в последние годы. В настоящее время вычислительная техника подошла к определенному рубежу, за которым должен произойти качественный скачок. Полвека развитие шло в соответствии со знаменитым законом Мура: регулярно (в последнее время – каждые два года) происходило удвоение числа транзисторов, которые размещались на чипе в электронных схемах. Это и было физической основой для того колоссального прогресса в электронике.
Но дальше идти по этому пути мешают физические же ограничения: в настоящее время количество транзисторов на кристалле интегральной схемы составляет примерно десять в десятой степени. И удваивать его уже некуда. Значит, нужны принципиально иные решения. Одно из них и есть – квантовый компьютер. Первые идеи в этом направлении математики (в том числе, наш соотечественник Юрий Манин) озвучили еще в 1980-е годы. А популярной концепция стала благодаря книгам нобелевского лауреата по физике Ричарда Фейнмана. Он высказал мысль, что для моделирования сложных квантовых систем можно использовать простые квантовые системы, или квантовые симуляторы. И уже потом могут быть созданы квантовые компьютеры, которые позволят решать серьезные вычислительные задачи.
В чем состоит основополагающая идея квантового компьютера? Объясняет доцент кафедры квантовой электроники НГУ Илья Бетеров. В обычном компьютере мы имеем дело с битами, каждый из которых может находиться в двух возможных состояниях – либо ноль, либо единица. В квантовом компьютере используются квантовые биты – кубиты, отличающиеся тем, что они могут находиться в состоянии квантовой суперпозиции, то есть быть и нулем, и единицей одновременно.
В результате, если при классическом вычислении элементарная операция совершается с одним числом, то при квантовых вычислениях – параллельно с огромным массивом чисел. В теории это позволит решать задачи, которые для обычных компьютеров потребовали бы необозримого времени решения, сравнимого современем существования Вселенной.
Что и говорить, перспектива заманчивая. Поэтому над созданием квантового компьютера работает едва ли не больше ученых, чем в области развития квантовых коммуникаций. И в новостях постоянно говорят о новых шагах к квантовому компьютеру. Одни ученые сделали рабочий кубит — элемент квантовой информации, другие — собрали компьютер на десяти кубитах, третьи — показали преимущество квантовых компьютеров над обычными в некоторых частных задачах.
Работают над этой задачей и в институтах Сибирского отделения РАН – все в том же Институте физики полупроводников. Первые простейшие квантовые вычисления были продемонстрированы на органических молекулах в жидкости. Однако твердотельная основа квантового вычислителя считается наиболее практичной и эффективной. В качестве кубитов квантового компьютера хотят использовать одиночные электронейтральные атомы. А управление квантовым состоянием пар этих атомов может осуществляться с помощью лазерных импульсов. Захваченные в созданную лазерным излучением оптическую решетку нейтральные атомы способны образовать квантовый регистр практически любого размера. Главное же их преимущество – возможность управлять межатомным взаимодействием путем лазерного возбуждения, что и стало предметом работы ученых ИФП. Они проводят эксперименты с ультрахолодными атомами рубидия, для возбуждения которых в ридберговское состояние применяют лазеры с высокой частотой следования импульсов. Здесь также разработана методика высокоскоростной регистрации числа атомов, возбуждаемых под воздействием каждого лазерного импульса в серии, независимо от остальных. Исследовательские работы в этом направлении идут и в НГУ (опять же, совместно с учеными ИФП).
Однако, несмотря на все успехи ученых, квантовые компьютеры – это дело будущего еще в большей степени, чем квантовая связь. Впрочем, то же самое можно сказать и о квантовом моделировании. Обычно в первую очередь имеют в виду моделирование новых материалов. В современной промышленности (синтез материалов и сплавов, электроника и т.п.) часто возникает ситуация, когда надо перебрать много так называемых материалов-кандидатов. Проверка каждого методом in vitro может занять месяцы, а что делать, если в списке тысячи претендентов. Соответственно, предварительно надо быстро выделить десяток пригодных для последующего анализа традиционными методами in vitro.
Еще в прошлом веке выход предложил уже упоминавшийся Ричард Фейнман: «Природа не является классической, поэтому если вы хотите ее моделировать, то лучше используйте какие-нибудь квантово-механические средства».
Сила квантовых вычислений позволит использовать все более сложные модели, которые будут отображать, как молекулы собираются и кристаллизуются с образованием новых материалов. Такие открытия, ведущие к созданию новых материалов, впоследствии приведут к созданию новых структур, имеющих последствия в сферах энергетики, борьбы с загрязнением и фармацевтических препаратов.
И снова, как и в двух предыдущих направлениях, ученые уверены, что мы стоим на пороге прорывных решений. А значит, уже в ближайшем будущем нас ждут еще более интересные времена.
Наталья Тимакова
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии