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

Не терпится заполучить новый блестящий квантовый компьютер? Тогда у нас есть хорошая новость – уже сегодня вы можете купить один, если у вас в запасе хотя бы 10 миллионов долларов.

Компания D-Wave Systems, расположенная в Бернаби (Канада), – новичок, вторгшийся в область квантовых разработок. В число ее покупателей входят Google и NASA. Ее флагманская модель, запущенная в производство в январе 2017 года, известна под названием D-Wave 2000 Q и содержит решетку из мельчайших сверхпроводящих цепей из металла ниобия, каждая из которых составляет один кубит. В ней содержится вплоть до 2048 кубитов и используется 128 000 джозефсоновских соединений. Но имейте в виду – это не квантовый ноутбук. Этот инновационный черный ящик, вмещающий в себя суперкомпьютер, вместе с обслуживающей криогенной системой и интерфейсом занимает целую комнату. Как это ни удивительно, но он работает всего лишь на 25 киловаттах – малой доле от мощности, потребляемой самыми быстрыми суперкомпьютерами мира.

Полная 2000-кубитная производительность значительно превысит имеющуюся у конкурентов, и испытания показывают, что эта новая машина D-Wave Systems превосходит классическую по времени, занимаемому чистыми вычислениями, в 1000–10 000 раз. Но тесты ее предшественника, D-Wave 2X, оказались неубедительными, и были серьезные сомнения, действительно ли он опережает по производительности обычные компьютеры.

В августе 2015 года D-Wave Systems объявила, что ее D-Wave 2X почти в 15 раз быстрее, чем обычные ПК. Она показала компьютер на деле с помощью набора тестов, основанных на решении задач со случайными перестановками: к примеру, компьютеру нужно было собирать самую лучшую футбольную команду из списка игроков с разными способностями, каждый из которых работает лучше или хуже с тем или иным партнером. В сравнении со специализированными оптимизационными программами, работающими на обычном ПК, 2X находил ответ в 2–15 раз быстрее. Но критики говорят, что такое сравнение не объективно.

D-Wave 2X имеет только одно применение – выполнение алгоритма оптимизации, вычисляющего лучшее решение данной проблемы. Тем не менее этого достаточно для первых двух покупателей D-Wave Systems. Google использует его в машинном обучении, а корпорация Lockheed Martin с его помощью ищет ошибки в работе своего программного обеспечения для бортовых систем.

Квантовые компьютеры за счет своих способностей имеют большой потенциал и, очевидно, не испытывают дефицита в областях возможного применения. Вот их краткий список.

Эта квантово-информационная технология уже вовсю применяется в коммуникациях. Различные небольшие системы квантовой криптографии для надежной передачи информации, в основном использующие в качестве кубитов поляризованные фотоны, были реализованы такими компаниями и лабораториями, как Toshiba, Hewlett Packard, IBM и Mitsubishi. В октябре 2007 года система квантовой криптографии, созданная Николасом Гисиным и его коллегами в Женевском университете, была использована для безопасной передачи голосов из центрального избирательного участка в офис подсчета во время федеральных выборов в Швейцарии. Подобная система голосования, разработанная научно-производственной фирмой ID Quantique, была использована для безопасной передачи данных во время проведения чемпионата мира по футболу в 2010 году в Южной Африке.

Расстояние, на которое квантовые состояния могут быть переданы по оптоволоконным кабелям, ограничено десятками километров из-за случайной диффузии. Один многообещающий способ обойти это подобен протоколам исправления ошибок для квантовых компьютеров и заключается в распространении информации по нескольким кубитам. Но это представляет угрозу безопасности, давая больше информации возможному перехватчику.

Альтернативой является передача по воздуху. Мировой рекорд полноценной телепортации одного кубита информации, установленный Антоном Цайлингером и его коллегами из Венского университета, составил 143 километра – расстояние между о. Пальма и Тенерифе, входящими в архипелаг Канарских островов. Это означает, что хрупкие квантовые состояния могут быть переданы на значительные расстояния по воздуху без искажений – и намекает на то, что всемирная надежная квантовая сеть, использующая спутники, реально возможна.

В августе 2016 года в Китае был запущен первый спутник квантовой связи для проверки технологии, которая однажды может стать частью защищенной от взлома сети. Она будет использовать фотоны для проверки распространения квантовых ключей.

Изначально мотивация Ричарда Фейнмана на размышления о квантовых компьютерах в 1981 году состояла в том, что они будут эффективней классических компьютеров в моделировании квантовых систем, в том числе собственных. Это звучит не слишком впечатляюще, но многие из самых досаждающих научных практических проблем, например вопрос того, что именно заставляет сверхпроводники проводить без сопротивления или магниты обладать магнитными свойствами, сложно, а зачастую даже невозможно решить с помощью классических компьютеров.

Теоретики квантовой информации уже разработали замысловатые алгоритмы для аппроксимации сложных квантовых систем, состоящих из множества частиц, предвосхищая появление квантовых компьютеров, обладающих достаточной мощностью для работы с ними. Прелесть в том, что такие симуляторы не будут ограничены существующей физикой: мы также можем использовать их, чтобы получить информацию о еще не изученных явлениях. Квантовые симуляции могут рассказать нам, где, скажем, лучше всего искать в природе частицы Майораны, находящиеся, например, в сложных многочастичных сверхпроводящих состояниях. Считается, что эти частицы являются античастицами сами себе и имеют свойства, которые могли бы сделать их идеальным инструментом для создания добротной квантовой памяти. Это открывает любопытную возможность – использовать квантовые компьютеры, чтобы предложить еще более мощные квантовые компьютеры.

Выполнение точных измерений – потенциально одна из наиболее значимых сфер применения квантовых компьютеров. Эффекты классического шума при фиксации чувствительных измерений физических величин, например интервалов времени или расстояний, означают, что лучшая статистическая точность, которую мы можем достичь, растет с квадратным корнем числа битов, используемых для записи.