3 главных квантовых прорыва - 2013

3 главных квантовых прорыва - 2013

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

Похожие новости:
За 2011 год названы самые важные события в науке
В прошлом году в IT, а также научной отрасли произошли запоминающиеся события. Одно из главных событий – смерть Стива Джобса, который основал «яблочную» компанию. Многие считают, что Стив был тем, кто умел сделать разработки своей компании такими привлекательными ..
2012-02-3 1753 0 Научные открытия
0
Ученые выяснили, что ядро Земли не содержит кислорода
Уже в течение многих лет состав ядра нашей планеты продолжается оставаться тайной. Выяснение даже примерного состава является достаточно сложной задачей. Он оценивается исходя из геохимии, а также на основе различных исследований, в которых изучалась история формирования планет Солнечной ..
2011-11-29 1729 0 Научные открытия
0
Торт раскрыл тайну гравитационных волн раньше ученых
Исследовательница Эрин Райан (Erin Ryan), работающая в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА, случайно сообщила об обнаружении волн пространства-времени раньше ученых. Женщина опубликовала на своей странице в Twitter фотографию торта с поздравлениями за 16 минут до того, как миру ..
2016-02-13 1893 0 Научные открытия
0
Ученые нашли самый прочный в мире материал
Ученые из Гельмгольца (Берлин, Германия) (HZB) обнаружили, что графен сохраняет свои замечательные электропроводящие свойства даже когда он находится в тесном контакте с такими материалами, как стекло и кремний. Это может стать ключевым открытием для разработки более эффективных тонкопленочных солнечных ..
2013-10-12 2339 0 Научные открытия
0
Физики подтвердили открытие бозона Хиггса
Ученые Большого андронного коллайдера после анализа собранных данным пришли к выводу, что открытая в июле 2012 года частица является бозоном Хиггса, сообщила пресс-служба Европейской организации ядерных исследований ЦЕРН. «Предварительные результаты обработки всего объема данных, ..
2013-03-14 1923 0 Научные открытия
0
Названы самые главные научные открытия 2016 года
Журнал Science опубликовал список самых главных, по мнению редакции, научных прорывов 2016 года. В перечень попало обнаружение гравитационных волн коллаборацией LIGO и открытие напоминающей Землю экзопланеты у ближайшей к Солнцу звезде Проксима Центавра.Авторы также отметили ..
2016-12-24 6458 0 Научные открытия
0
Ученые научились восстанавливать нервные клетки
Британские ученые из Шеффилдского университета впервые смогли восстановить слух (частично восстановить нервную ткань, через которую в мозг поступают звуковые сигналы) при помощи стволовых клеток. Как сообщается в статье из журнала Nature, ученые проводили эксперименты на подопытных мышах, ..
2012-09-18 2105 0 Научные открытия
0
Глобальное потепление: к 2050 году общемировая температура может вырасти на 3°C
К 2050 году температура атмосферы планеты вырастет на 1,4-3° C. Такой высокий темп глобального потепления прогнозирует большая команда учёных из Великобритании, США, Франции, Новой Зеландии и других стран. Температурный рост рассчитан по отношению к показателям периода 1961-1990 годов. ..
2012-03-30 2060 2 Научные открытия
0
Абелевскую премию дали за работы по гипотезам Вейля
Абелевскую премию 2013 года получил Пьер Делинь. Об этом сообщается на сайте премии, где шла прямая трансляция церемонии. Делинь получил награду за "революционный вклад в алгебраическую геометрию, который трансформировал теорию представлении, теорию чисел и многие смежные области". ..
2013-03-20 1509 0 Научные открытия
0
Стивен Хокинг второй раз раскрыл тайну черных дыр
Физики-теоретики Стивен Хокинг, Малкольм Перри и Эндрю Строминжер предложили новое решение парадокса потери информации в черных дырах. Ранее (в 2005 году) Хокинг также предлагал объяснение физического противоречия. Результаты своих исследований авторы опубликовали на сайте ..
2016-01-12 2307 0 Научные открытия
-1
Результаты эксперимента ЦЕРНа указали на отклонения от Стандартной модели
Ученые ЦЕРНа сообщили о подтверждении своих предыдущих результатов, согласно которым они наблюдали отклонение полученных экспериментальных данных от Стандартной модели физики элементарных частиц. Об этом сообщается на сайте Европейской организации по ядерным исследованиям. В эксперименте под названием LHCb ученые ..
2015-03-24 2528 0 Научные открытия
1
Свойства бозона Хиггса запутали физиков
Физики, анализирующие данные Большого адронного коллайдера, разошлись во мнении по поводу свойств новой частицы. Об этом сообщает издание "Элементы.ру". Анализом данных с ускорителя занимается две коллаборации ученых Atlas и CMS, названные так в честь детекторов, данные которых они анализируют. В начале ..
2013-03-15 2488 0 Научные открытия
0
Физики вновь не сумели разглядеть темную материю
Физики, работающие с детектором LUX, провели повторный анализ данных, собранных в октябре 2013 года, и подтвердили, что частиц темной материи детектор не обнаружил. Об этом сообщается в на сайте проекта (pdf). В рамках работы ученые провели калибровку детектора, используя ..
2014-02-21 1453 0 Научные открытия
0
Физик Питер Хиггс награжден британским Орденом Почета
Физик Питер Хиггс, который первым заявил о возможности существования неизвестной ранее элементарной частицы, стал кавалером Ордена Почета Великобритании. Об этом говорится в обнародованном перечне выдающихся британцев, которым Королева Елизавета II присвоила государственные награды. Этот ..
2013-01-2 1579 0 Научные открытия
0
Следы тёмной материи нашли в центре нашей галактики
Уже много лет разгадка природы тёмной материи является одной из главных задач фундаментальной физики. Эта субстанция не излучает и не поглощает свет, а также не взаимодействует с электромагнитным излучением, поэтому её невозможно наблюдать напрямую. В то же время по расчётам учёных во Вселенной тёмной материи ..
2014-04-10 2294 0 Научные открытия
0