Номер 03, 2009

ВТОРАЯ КВАНТОВАЯ РЕВОЛЮЦИЯ

Мы вступаем в новую эру – эру второй революции квантовой механики, описывающей микроскопический мир атомов, электронов или частиц света, фотонов. Она основана на таких особенностях энергии, как способность быть одновременно в двух состояниях, мгновенное взаимодействие на расстоянии, неразрушимая и невидимая связь. Результат: более надежные и быстрые средства связи. Более эффективные компьютеры. Высокоточная томография. Даже азартные игры, основанные на подлинной случайности! В новой эре происходит переход от квантовой «механики» к квантовой «информации».

Минувшей осенью в Вене сорок европейских лабораторий развернули систему связи, которую невозможно взломать и которая использует традиционное оптоволокно. Во время докладов и бесед в кулуарах участники конференции говорили о еще неопубликованных результатах в области квантовой памяти, создания кьюбитов, или новых источников фотонов...

Три фирмы уже продают системы квантовой криптографии (швейцарская id Quantique, американская MagiQ и французская SmartQuantum). Задуман квантовый компьютер. Ученые работают во всех направлениях: создают искусственные атомы, сражаются с некогерентностью, уничтожают шумы-паразиты. На подходе альтернативные постквантовые теории...

Семь основных понятий, чтобы перейти от классического мира к миру квантовому

Квантирование

Первая разница между квантовым миром и миром классическим в том, что первый не полностью протяженный. Словно в этом мире можно обмениваться лишь пачками денег, кратными 100 рублям, а никакой промежуточной суммы нет. Если точнее, система может перепрыгивать с одного уровня энергии на другой, не проходя через промежуточные энергетические пороги. Это и есть пресловутое квантирование. Фотоэлектрический эффект иллюстрирует эту способность. Освещение материала вызывает появление электротока при некоторых длинах волн (значит, некоторых энергий) света и только света. На микроскопическом уровне атомы поглощают энергию только пакетами.

Двойственность волна-частица

Вторая разница – квантовая теория описывает объекты иначе. В классическом мире положение и скорость, к примеру, машины, четко определены. Без этого радары были бы бесполезны... В квантовом мире все не совсем так. К примеру, невозможно одновременно и точно знать положение частицы и ее скорость.

Математически теория описывает состояние не парой точек, а так называемой волновой функцией, которая позволяет рассчитать вероятность обнаружить частицу в одной или другой точке. Отсюда вероятностный характер квантовой механики.

Кошка Шредингера, или наложение состояний

Более того, в квантовом мире возможно находиться одновременно в двух местах! Представим, что состояние одной частицы полностью описывается ее цветом, который может быть либо красным, либо синим. В нашем мире два цвета, а значит, два состояния прекрасно различаются. По-иному в квантовом мире. Существуют состояния одновременности красного и синего. Только фотография или измерительный инструмент определят синюю или красную природу системы. Без этого объект на самом деле не имеет цвета... Для указания этих странных состояний физики приводят пример кошек Шредингера: кошка находится в закрытой коробке, в которой радиоактивный атом включает систему, высвобождающую яд в момент распада атома.

Смешение

Именно на этой основе покоятся достижения квантовой информации. Возьмем две машины разных цветов, едущих по дороге навстречу друг другу. После их разъезда наблюдатель может сказать, какая машина проехала справа, а какая слева. В квантовой механике, если маневр выполнен правильно, кое-что едет налево, кое-что направо, но невозможно сказать, какому исходному автомобилю это соответствует. Математически только функция волны, неразделимая на две различных функции, описывает систему. Тонкость в том, что обе части находятся в сильной корреляции. Если радар сфотографирует один из объектов, едущих в одном направлении, второй объект немедленно примет тот же цвет. И результат уже не вероятностный, а точный.

Доказательство смешения

Эта способность, вытекающая из квантовой механики, смущала Альберта Эйнштейна, который в 1935 году опубликовал вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном мысленный опыт, чтобы показать недостаток квантовой механики. Два смешанных фотона посылаются к удаленным детекторам. Их «цвет», на самом деле – их поляризация, случаен. Какой результат дадут одновременные измерения двух фотонов? В 1982 году группа Алена Аспекта осуществила опыт Эйнштейна: полученные корреляции действительно те, которые предсказывала квантовая механика. Смешение и взаимодействие существуют.

Некогерентность

Частице трудно долго оставаться словно подвешенной между двумя состояниями. То же самое – для смешанной пары. Оказавшись под «глазом» измерительного инструмента, состояния становятся как бы классическими: радар видит красную и синюю машины, но не смешение двух цветов. Эти состояния находятся еще под одной угрозой: внешняя среда. Словно она производит регулярные замеры наложенных состояний и вынуждает их переходить в «классическое» состояние. Такой переход, названный некогерентность, очень быстр. Воспрепятствовать некогерентности – главная задача для создания квантового компьютера.

Интерпретации

Есть несколько интерпретаций для объяснения, почему в нашем масштабе квантовые явления не проявляются.

Копенгагенская интерпретация: мы узнаем о качествах системы, только произведя замеры. Воздействие измерительного инструмента мгновенно переводит систему в классические состояния и снижает квантовые странности.

Множественные миры: смешение никогда не исчезает, даже если наблюдатель производит замеры. Все возможности на самом деле реализуются... в иных мирах, куда нет доступа. Как ни странно, но эта идея, выдвинутая полвека назад Хью Эвереттом, сейчас пользуется у физиков наибольшей благосклонностью, если судить по неформальным опросам...

Эффект сознания: согласно Джону Уиллеру, исчезновение наложенных состояний вызывается нашим сознанием. На самом деле мысль создает реальность.

Восемь тропинок к будущим предметам

1. Создать компьютер

Если думать о квантовом компьютере как о машине для замены классических, то мечта далека от воплощения. Если считать его Ковчегом мира квантовой информации, мечта выглядит довольно жизненной!

Квантовый компьютер позволит быстрее раскладывать в большие числа произведение первичных факторов (ключевая операция в безопасности банковских транзакций с помощью карты), а также в тысячи раз быстрее находить имя, соответствующее телефону в справочнике на миллион абонентов. Значит, игра стоит свеч. Поэтому идут многочисленные поиски для создания пресловутого кьюбита на базе такого компьютера. Кроме того, ученые задаются вопросом, может ли кажущаяся интересной система размером в несколько кьюбитов перейти к масштабу в десятки или сотни раз большему.

Сравнительная информатика
Состояние
Классическая	Квантовая
0 или 1	0 или 1, а также наложение 0 на 1
Свойства
Возможное копирование	Копирование запрещено.
Отсутствие воздействия измерения: 0 остается нулем, 1 – 1.	Измерение разрушает наложенное состояние.
Нет смешения нескольких битов.	Возможно смешение.
Размер
Если есть N бит, имеем 2n комбинаций	Если есть N кьюбитов, есть столько же возможностей, сколько есть точек в пространстве с 2n измерениями.
Расчет
Последовательный	Параллельный
Для расчета 2n значений одной функции классический компьютер произведет 2n операций.	Входящие кьюбиты смешиваются и обрабатываются одновременно. Результат содержит все значения функции.

Несколько примеров кьюбитов

Самые эффективные

Атомы в молекулах

Они содержат нечто вроде маленьких магнитов, которые можно повернуть. Магнитно-резонансный томограф детектирует атомы, используя это качество. Но это также помогает формировать кьюбиты, несущие различные магнитные состояния. Недостаток: трудно увеличить размер таких систем.

Наиболее многообещающие

Атомы и ионы

Вместо использования атомов, связанных в молекулы, физики берут их по одному с помощью электромагнитных полей для ионов или лазеров для атомов. Как только атомы застывают в неподвижности, свет контролирует состояние этих кьюбитов и смешивает их между собой. Рекорд – 8 кьюбитов из ионов. У них замечательно долгая жизнь (несколько секунд) и надежность измерения состояния (близкая к 100%).

Самые выносливые

Искусственные атомы

Возможно получить кьюбиты, гравируя крохотные электрические сверхпроводящие цепи с помощью технологии производства современных микропроцессоров. Сравнение на этом заканчивается, поскольку эти цепи совершенно иные и ведут себя, как искусственные атомы. Удалось добиться продолжительности жизни более микросекунды. Возможность контроля нескольких кьюбитов в одном чипе – ближайшая задача.

2. Моделирование природы

В 1982 году физик Ричард Фейнман выдвинул идею моделирования природы машинами. А поскольку природа имеет квантовый характер, и машины должны быть квантовыми. Машина должна делать точно то, что делает природа.

3. Хранение и отсылка информации на самые далекие расстояния

Память необходима и для криптографии. Проблема в том, что информация теряется на стокилометровом отрезке оптоволкна. Для дальнейшей передачи нужны промежуточные узлы, чтобы принимать, складировать и отсылать информацию дальше. Поскольку задача не особенно трудная, физики пошли дальше, пытаясь смешать промежуточные узлы, чтобы в надлежащий момент информация прошла с одного конца цепи на другой без риска перехвата!

4. Получение более четких изображений

Квантовое изображение – нечто новое, но за последние пять лет успехи удивительны. Цель? Устранение шума, который искажает изображение, усиление слабых сигналов, чтобы увидеть невидимое. Каким образом? Смешивая два лазерных пучка, используемых для получения изображения.

5. Наблюдение в нашем масштабе

Это самый безумный проект новых покорителей квантовой физики. Они хотят наблюдать и контролировать квантовое поведение макроскопических объектов – рычагов, балок, весов! То есть наблюдать за колеблющимися механическими системами. Тяжелые макроскопические объекты, состоящие из миллиардов атомов, имеют такую же квантовую природу, как фотоны, электроны или атомы. То есть мы имеем дело с той же прекрасной и истинной квантовой механикой.

Надо создать технику замера малейших колебаний, вызванных квантовой флуктуацией, которые в миллиард раз меньше самого маленького атома... В принципе этот последний аспект проблемы решен после создания инструментов детектирования гравитационных волн, Вирго и Лиго.

6. Новые рулетки

Квантовая механика приносит и доход. Она становится основой казино, покера, лотерей и прочих линейных азартных игр. Эйнштейну не понравилось бы такое применение, ибо он критиковал теорию, говоря, что Бог не играет в кости. Но система работает. Швейцарская фирма idQuantique продает идеальные генераторы случайных чисел. Это не самое лучшее применение квантовой механики, но оно хорошо продается.

Случайность присуща квантовой механике, хотя Эйнштейн это не ценил.

7. Избежать некогерентности

Это может быть научная иллюстрация года. Миллиарды и миллиарды кошек представлены здесь десятком фотонов, подпрыгивающих с течение нескольких десятков микросекунд между двумя почти идеальными зеркалами.

Фотоны пойманы в ловушку в состоянии наложения и смешивания, а потому каждый в отдельности различить невозможно. Синие пики под поверхностью изображения показывают состояния, не существующие в классическом мире. Постепенно из-за взаимодействия со средой (у ловушки есть утечки) квантовые наложения исчезают. Высота нижних пиков уменьшается, оставляя только верхние пики, а это классические состояния.

Понадобились годы, чтобы создать резонатор, могущий надолго поймать фотоны, и придумать измерения, практически не нарушающие хрупкие состояния. За «замедлением» некогерентности последует возможность помешать ее возникновению.

8. Безопасность связи

Эра квантовой информатики началась с квантовой криптографии, искусства гарантировать безопасность связи на основе фундаментальных физических принципов. Нет смысла посылать все больше данных с увеличением скорости передачи, если нет доверия к системе связи. Но осенью 2008 года в Австрии 40 лабораторий доказали могущество теории. По 200 км давно проложенных оптоволокон зашифрованная информация проходила через шесть узлов. Любое проникновение в сеть тут же детектировалось, а связь переходила на другой, более надежный канал.

Явление можно описать, сравнивая теннисные мячи и мыльные пузыри. Классическая информация записана на теннисных мячах, которые легко перехватить, прочесть информацию и снова отправить в приемник так, что никто этого не заметит. Квантовая информация записывается на мыльных пузырях. Остановка их уничтожает и возбуждает тревогу в приемнике. Эти мыльные пузыри есть наложенные или смешанные состояния, разрешенные квантовой механикой.

Техника работает, но требует улучшения. Будем ждать.

К началу ^