Мы часто недооцениваем, насколько быстро внедряются в повседневную жизнь технологии, время которых пришло. Первый лазер заработал в лаборатории в 1960 году, а уже в 1969-м появился лазерный сканер штрихкодов. В 1993 году появился первый графический браузер Mosaic, а в 1996-м интернет уже не мыслился без веба. Новые технологии оставляют очень небольшое окно для принятия решений теми, кто хочет оседлать волну.
Сегодня есть признаки того, что в области квантовой физики открывается новое окно технологического прорыва, которое в случае успеха может трансформировать целые отрасли. В начале декабря в Москве прошла публичная лекция нобелевского лауреата по физике Дэвида Гросса, где тот, говоря о перспективах квантовых технологий, отметил: «Изменения в мире могут оказаться столь же невообразимыми, как и те, к которым привело изобретение полупроводникового транзистора».
Прогнозировать долгосрочный характер масштабных инноваций - дело безнадежное, но вполне можно попробовать заглянуть в ближайшее будущее, наступающий 2013 год, и обозначить наиболее перспективные темы в области квантовых технологий. Я бы выделил три направления квантово-технологических исследований, где в будущем году можно ждать важных новых результатов:
Квантовая телепортация
Квантовые повторители
Квантовые симуляторы
Прежде чем переходить к объяснениям, надо сделать небольшую, но важную оговорку. Наш мир уже давно и широко использует квантовые технологии: лазеры, микропроцессоры, светодиоды, томографы - вся эта техника основана на квантовых свойствах материи. Но эти квантовые технологии первого поколения используют лишь массовые процессы, не опускаясь на уровень управления отдельными квантовыми частицами. Технологии второго поколения отличаются тем, что они работают с индивидуальными квантовыми объектами, открывая через это принципиально новые технические возможности.
Квантовая телепортация
Этим термином физики обозначают перенос состояния с одного квантового объекта на другой, находящийся на расстоянии. Это, конечно, не фантастическая нуль-транспортировка: в точке приема должен присутствовать атом нужного типа. Телепортация переведет его в состояние, заданное в отправной точке. Поскольку объекты микромира - фотоны, электроны, атомы - фундаментально идентичны и различаются лишь своими состояниями, передача этого состояния эквивалентна воссозданию в новом месте точно такого же объекта, какой был в исходной точке. При этом состояние отправляемого объекта необратимо нарушается. Так что телепортация - это именно перенос, а не копирование.
Впервые телепортацию фотона осуществили в 1997 году. С тех пор удалось телепортировать квантовое состояние отдельного атома, а также осуществить телепортацию между объектами разной природы, например квантами света и атомами. Но до сих пор все подобные эксперименты велись с отдельными квантовыми объектами. Между тем для многих задач, в частности для квантовых вычислений, надо уметь телепортировать состояние сложных квантовых систем, находящихся в так называемом запутанном состоянии.
Исследования в этом направлении ведутся в ряде научных центров, в частности, в Женевском университете, в Центре квантовой оптики Гарвардского университета, а также в копенгагенском Институте Нильса Бора, где работают над телепортацией ансамблей атомов цезия. Такой ансамбль - это уже не просто частица, а сложноструктурированный материальный объект. Возможно, в будущем году удастся осуществить первый эксперимент по квантовой телепортации подобного объекта.
Квантовые повторители
Сегодня квантовая криптография уже стала прикладной технологией. Ее применяют банки и спецслужбы, которым требуется абсолютная защита каналов связи от прослушивания. Это достигается за счет использования пар запутанных фотонов. Такие пары представляют собой единую квантовую систему, компоненты которой, двигаясь по обычному оптоволокну, могут разойтись на значительное расстояние. Попытка перехвата одного из этих фотонов разрушает состояние квантовой запутанности, и абоненты понимают, что их коммуникации прослушиваются. Как правило, квантовый канал используется не для передачи основной содержательной информации, а лишь для обмена ключами шифрования. Так что при выявлении прослушки ключи компрометируются и не используются - утечки информации не происходит.
Уже есть фирмы, которые серийно выпускают оборудование для квантовой криптографии. Среди них, например, швейцарская ID Quantique и американская MagiQ Technologies. Однако дальность квантовой связи ограничена расстояниями порядка 100 км. Дальше сигнал попросту затухает. При обычной оптоволоконной связи сигнал периодически проходит через повторители, которые его усиливают. Однако квантовый сигнал обычным повторителем усилить нельзя, поскольку при этом разрушится запутанность фотонов точно так же, как и при прослушивании линии. Это ограничивает использование квантовой криптографии: банки пока не могут применять ее для связи со своими заморскими филиалами.
Выход состоит в создании специальных квантовых повторителей, которые будут принимать сигнал, не прослушивая его. Для этого квантовое состояние фотона может переноситься, например, на атом, способный находиться в аналогичных квантовых состояниях. Тогда уже этот атом оказывается запутан со вторым фотоном пары. Затем этот атом (точнее, его состояние) телепортируется следующему повторителю, и так продолжается, пока не он достигнет получателя. Принципиальным тут является то, что ни на каком этапе не должно производиться «считывания» квантового сигнала, а потому состояние квантовой запутанности сохраняется.
Пока готовой технологии квантового повторителя еще нет. Но работы в этом направлении активно ведутся во многих исследовательских организациях. В числе лидеров тут можно назвать Квантовый центр Калифорнийского технологического института. Возможно, действующий прототип квантового повторителя будет продемонстрирован уже в следующем году.
Отработка квантового повторителя радикально изменит рыночные позиции квантовой криптографии. Из технологии, применяемой лишь в сетях масштаба города, она превратится в фундамент глобальной инфраструктуры информационной безопасности.
Квантовые симуляторы
Движение обычных механических объектов легко рассчитывать шаг за шагом: по действующим силам определяют ускорения, по ним - изменения скорости, по скоростям - перемещения. Узнав новые положения и скорости, можно снова рассчитать силы и так далее. Такие расчеты выполняются, например, при управлении космическими аппаратами. Однако квантовые частицы и их системы движутся не по одной траектории, а сразу по всем возможным - в режиме так называемой суперпозиции. Поэтому для расчета их поведения надо, грубо говоря, рассматривать все возможные «альтернативные варианты истории». Понятно, что такие расчеты неимоверно трудоемки. Мощнейшие суперкомпьютеры обсчитывают движение миллиардов взаимно притягивающихся звезд, но не способны точно просчитать взаимодействие более чем пары десятков квантовых частиц.
Для понимания устройства биологических молекул, кристаллов, атомных ядер и других систем, имеющих сложную микроскопическую структуру, требуется учитывать движение большого числа частиц, что совершенно недоступно обычной цифровой технике, поскольку с увеличением их количества объем вычислений нарастает экспоненциально.
Одно из возможных решений состоит в создании особого типа квантового компьютера, где одни квантовые системы, подлежащие исследованию, будут моделироваться при помощи других, более изученных и лучше контролируемых квантовых систем. Подобные квантовые симуляторы можно считать своего рода аналоговыми компьютерами, в которых вместо алгоритмических операций выполняется физическое моделирование изучаемой системы. В прошлом, когда мощности цифровых компьютеров были еще невелики, аналоговые компьютеры использовались, например, в гидротехнических расчетах - потоки и напоры воды моделировались электрическими токами и напряжениями.
В квантовом симуляторе специально приготовленная модельная система естественным образом перебирает «альтернативные возможности» в силу своей квантовой природы. В мюнхенском Институте квантовой оптики Общества Макса Планка для симуляции используются атомы, подвешенные в специальной световой ловушке. Электромагнитные колебания удерживают атомы в ячейках искусственной «кристаллической» решетки, позволяя им запутываться между собой и изолируя от внешних возмущений.
Пока в таких квантовых симуляторах удается готовить и защищать от помех не более пары десятков атомов, и классические компьютеры еще могут составить им конкуренцию. Но симуляторы совершенствуются, и можно ожидать, что в наступающем году они превзойдут цифровые компьютеры по возможностям моделирования.
Развитие подобных систем открывает возможность более целенаправленного поиска новых материалов, таких, например, в которых будет обеспечиваться сверхпроводимость при комнатной температуре. Появление подобных материалов могло бы радикально изменить положение дел в энергетике и на транспорте.
Источник: slon.ru
