«Компьютерное моделирование физических процессов кажется мне блестящей миссией. В природе нет классики, если вы хотите создать симуляцию природы, вам лучше сделать ее квантовой, и, ей-богу, это прекрасная задача, потому что она совсем не кажется простой».
Это цитата из лекции «Внизу много места: приглашение войти в новую область физики», которую прочел знаменитый физик Ричард Фейнман в Калифорнийском технологическом университете в 1959 году.
Слыша фразу «квантовые технологии», сегодня мы думаем о техническом прогрессе, новых компьютерах, новых типах шифрования информации и сверхбыстрых вычислениях. Однако на самом деле квантовые процессы — явление, которое сопровождало нас на всем историческом пути. По сути, они лежат в основании окружающего нас мира.
Возможно, именно благодаря фотону, который миллионы или даже миллиарды лет назад покинул какую-нибудь далекую звезду, птица находит свой путь во время миграции. Эту теорию описывает орнитолог Скотт Вейденсол в одной из самых интересных нон-фикшн книг этого года A World on the Wing. На что влияют квантовые процессы, какие природные явления они обуславливают и причем тут технологии, разобрать не так-то просто. В этом письме делимся с вами гайдом по основам основ.
Слово «квант» (с англ. — количество, порция) — ключ ко всем загадкам. Энергия излучения поглощается и передается крошечными порциями, которые называются квантами.
Теперь вспомним строение атома: есть ядро, вокруг которого движутся электроны по орбитам, энергетическим уровням. При переходе электрона с орбиты на орбиту происходит испускание или поглощение фотона. Причем фотон тут одновременно выступает и как элементарная частица, и как квант (порция) электромагнитного излучения. Каждому конкретному переходу электрона соответствует фотон или излучение света, упорядоченного по фазе волны. Количество этого излучения можно рассчитать по формуле Планка (E=hν).
Классическую физику с квантовой примеряет концепция корпускулярно-волнового дуализма. У всего, что обладает энергией и импульсом, есть определенная длина волны (волна де Бройля). Частица начинает вести себя как волна, когда ее окружение и измерительный прибор становятся сравнимы по размерам с этой длиной. Чем больше масса, тем короче волна — и заметить волновое поведение становится все сложнее. В более позднем и более строгом варианте квантовой механики понятие волны де Бройля заменено волновой функцией — уравнением Шредингера, описывающим квантовые объекты. Это уравнение показывает вероятность нахождения частицы в определенной точке пространства. Еще есть квантовая механика, описывающая поведение микрочастиц, и квантовая теория поля, которая разбирается с волновым поведением частиц и описывает их превращения. Идем дальше…
Принцип неопределенности Вернера Гейзенберга: Измерить точно и за один раз и импульс, и координату — никак не получится. Либо одно с большей вероятностью, а другое — с меньшей, либо наоборот.
В классической физике суперпозиция означает способность волн складываться, усиливая или ослабляя друг друга. Волновую функцию квантовой системы в суперпозиции можно описать как сумму вероятностей двух состояний. Кот, который и жив, и мертв, при условии что мы не открыли ящик. Если открыть, то есть измерить квантовую систему, то станет очевидным одно из состояний (как говорят физики, система коллапсирует в определенное состояние). Фотон в суперпозиции предполагает возможность двух его состояний — горизонтальной и вертикальной поляризации.
Частный случай суперпозиции — квантовая запутанность, то есть способность квантовых объектов «чувствовать» друг друга на любом расстоянии. Эйнштейн называл ее «жутким дальнодействием». Зафиксировав только одну из пары запутанных частиц, мы нарушим состояние суперпозиции: частица, которую «обнаружили», приобретет точное значение, а вторая тут же приобретет противоположное значение, как бы далеко друг от друга они ни находились.
Благодаря квантовой запутанности возможна квантовая телепортация — «трансплантация» квантовых состояний от одного объекта другому. Этот процесс не имеет ничего общего с телепортацией из фантастических фильмов. Состояния запутанных частиц оказываются связаны. Про это — самая популярная история отношений Алисы и Боба.
Наконец, о квантовых технологиях
Впервые принцип работы квантового компьютера описал как раз Ричард Фейнман (тот самый автор цитаты, с которой началось это письмо). Базовый элемент информации — кубит, созданный из фотонов с определенной поляризацией. Если бит — это 0 или 1, то кубит — это 0 или 1 плюс суперпозиция. То есть в N кубитов можно закодировать 2N бит информации. И всего 20 кубитов содержат два в двадцатой степени или 1,048,576 бит. Пока ученые все еще борются за квантовое превосходство и создание систем с 1000 и более кубитами для коммерческого успеха технологии. Но эта гонка уже близится к успешному финалу.
К 2023 году IBM планируют представить компьютер с 1121-кубитовым процессором. Квантовые компьютеры обеспечат вычисления, прогнозы, симуляции, которые невозможны сегодня из-за недостаточной скорости и памяти современных машин — даже суперкомпьютеров, а также слишком больших энергозатрат. Однако квантовые симуляторы кое-что могут уже сегодня.
Еще в 2019 году Volkswagen использовал квантовые вычисления для управления своим парком автомобилей во время веб-саммита в Лиссабоне. А в феврале этого года BMW применили квантовые технологии для оптимизации логистики поставок. Теперь корпорация безошибочно выбирает поставщиков, с которыми выгоднее всего сотрудничать, и определяет наиболее удобное время для заказа.
С одной стороны, квантовые вычисления способны наладить экономические процессы и привести к новым открытиям в различных областях знания. С другой — они грозят полностью сломать современную систему хранения конфиденциальных данных. Поэтому вторая глобальная задача, которую предстоит решить IT-гигантам, — это технология квантового шифрования. Оно опирается на феномен квантовой запутанности и считается максимально надежным: «посчитанный» фотон теряет суперпозицию, и попытка взлома тут же становится очевидной.
Квантовые сети постепенно захватывают мир. Китай, например, уже опутан такой технологией. А в апреле этого года завершилось строительство квантовой сети Москва — Санкт-Петербург.
Примеры использования квантовых технологий
Тут можно почитать, как они позволяют чат-ботам и виртуальным моделям понимать и воспроизводить эмоции
А по этой ссылке можно узнать, как их используют для поиска темной материи.
И еще две ссылки для любознательных:
На этом сайте можно попробовать свои силы в дизайне квантовых устройств.
А здесь — подсмотреть, что происходит в Лаборатории теплофизических свойств материалов ОИВТ РАН, где изучают ультрахолодный газ ридберговских атомов и ультрахолодную неидеальную плазму для развития квантовых компьютеров.
Вам писала Аня, которой удалось не запутаться в теории со своим гуманитарным образованием