Квантовый мир. Невероятная теория в самом сердце мироздания - Элисон Джордж

Несмотря на более чем полувековой возраст, лазеры по-прежнему остаются молоденькими красавцами фундаментальной физики. С тех пор, как в 1960 году было снято покрывало с первого из них, применение лазеров можно увидеть везде – от резки и сварки до борьбы с раком и катарактой, а также функционирования телекоммуникационных устройств и бытовой техники. Прогресс в лазерных разработках воплощается в наших гаджетах поразительно быстро: вспомните продвижение от CD к DVD и нынешней технологии Blu-ray всего лишь за несколько десятилетий.

Эйнштейн сделал первый шаг к окончательному устройству лазера, предположив в 1917 году, что атомы могут давать вынужденное излучение. Десятилетия спустя его теория подтвердилась, но только в 1954 году Чарльз Таунс и другие ученые Колумбийского университета в Нью-Йорке сконструировали первый «мазер», дающий микроволновый луч. Разработка мазера побудила Таунса и остальных попробовать расширить идею до видимого и инфракрасного излучения.

К 1957 году Таунс и Артур Шавлов, тогда работавшие в Bell Telephone Laboratories, проанализировали способ изготовления оптического мазера. Тем временем Гордон Гулд, тогда 37-летний аспирант Колумбийского университета, заполнял свои блокноты похожими идеями того, что он называл «лазером». Патента добился Гулд, хотя все еще идут споры о том, кому первому в голову пришла идея лазера. Работа Таунса же принесла ему долю в Нобелевской премии по физике 1964 года.

Статья Таунса и Шавлова многих стимулировала на изготовление лазеров. Однако победителем великой лазерной гонки был малоизвестный молодой американский физик Теодор Майман, который 15 мая 1960 года поместил маленький рубиновый стержень с посеребренными концами внутрь импульсной лампы в форме пружины. Когда он зажег ее, рубиновый стержень испустил яркий импульс густого красного света – первый лазерный луч.

С того момента лазерная область стремительно развивалась. Сегодня, тщательно подобрав элементы для лазерных диодов, можно добиться излучения на различных длинах волн, что имеет целый ряд разнообразных применений (см. рис. 4.2).

Рис. 4.2. Тщательно выбирая химические элементы, используемые для изготовления лазерных диодов, и их относительные доли, инженеры могут сконструировать полупроводниковые лазеры, излучающие на длинах волн от голубого до инфракрасного диапазона электромагнитного спектра и имеющие самые разно образные применения.

Следующая стадия эволюции лазеров продолжает развиваться: кардинально меняется способ формирования лазерного света. Новая волна приборов основывается на использовании для формирования света похожих на частицы порций энергии – не являясь ни светом, ни веществом, они одновременно представляют собой и то, и другое.

Обработка информации, заключенной в квантовых состояниях, а не в электрических токах обычных компьютерных микросхем, открывает перспективы несравненно более эффективной, экономичной и безопасной обработки числовых данных. По крайней мере, в теории. Задача состоит лишь в том, чтобы сделать ее реальной. Что касается будущего, квантовая криптография обещает новый способ абсолютной конфиденциальной коммуникации – жизненно важной для все более цифровизирующегося общества. И это только начало: новые применения квантовой механики появляются все время.

Идея использования законов квантовой механики для построения компьютера впервые была предложена физиком Ричардом Фейнманом (см. рис. 5.1) в 1982 году, а в 1985 году физик Дэвид Дойч создал первую теоретическую схему. Эта область процветала и в последующие десятилетия (см. хронологию ниже в этой главе). Но как в реальности построить квантовый компьютер и как он работает? Чтобы внести ясность, приведем сводку основ.

Обычные компьютеры обрабатывают информацию, используя наличие или отсутствие электрического заряда (или тока). Эти классические биты имеют два положения: включен (1) и выключен (0). Полупроводниковые переключатели – транзисторы – переворачивают эти биты, осуществляя логические элементы, например И, ИЛИ и НЕ. Объединяя эти элементы, мы можем вычислить все, что в принципе поддается вычислению.

Рис. 5.1. Ричард Фейнман – пионер в области квантовых вычислений.

В квантовых вычислениях переключение производится между квантовыми состояниями. К квантовым объектам, как правило, может быть применимо множество состояний одновременно: атом в одно и то же время может занимать несколько положений или находиться в нескольких энергетических состояниях, фотон – более чем в одном состоянии поляризации, и так далее. Можно сказать, что квантовый бит, или кубит, является суперпозицией, включающей одновременно и 0, и 1.

Это уже предлагает существенное увеличение вычислительной мощности. Но реальная основа работы квантового компьютера – это возможность запутанности друг в друге состояний множества кубитов, что создает суперпозицию всех возможных комбинаций однокубитных состояний. Разнообразные операции, одновременно проводимые над разными частями суперпозиции, эффективно реализуют крайне мощный процессор с параллельными вычислениями, характеризующийся экспоненциальным ростом потенциала: n кубитов имеют производительность обработки информации 2n классических битов (см. рис. 5.2). Таким образом, 400-кубитный квантовый компьютер соответствует классическому компьютеру с 10120 битами – числом, намного превышающим оцениваемое количество частиц, существующих во Вселенной.

Рис. 5.2. Квантовая суперпозиция и запутанность объединяются, реализуя более эффективную обработку и телепортацию информации на расстояния.

Обычные компьютеры используют для обработки информации биты. Основная единица квантовых вычислений – кубит. Он является физической системой, которая может существовать в двух разных состояниях и воспроизводить единицы и нули, составляющие двоичный код, который используют компьютеры. Кубит может быть электроном, поддерживаемым в магнитном поле, или поляризованным фотоном, поэтому его спином легко управлять. Подготовка кубитов, а также их считывание и запись в них информации проводится с помощью специализированного оборудования, работающего, например, на рубиновом лазере, нелинейном кристалле или даже розовом бриллианте.