Квантовые технологии

В 1900, последнем году XIX века, Макс Планк открыл кванты света: показал, что энергия света передается в виде минимальных энергетических пакетов. Так зародилась квантовая физика, которая, казалось бы, совершенно случайно попала из XXI века в начало XX-го. На практике квантовая механика оказалась одной из самых точных и строгих систем, известных науке: принципы квантовой механики лежат в основе деления атомного ядра, действия лазера, работы полупроводников. Сегодня уже осуществлены квантовая телепортация и квантовые вычисления. При этом, еще в 1927 году, на пятом Сольвеевском конгрессе, посвященном проблемам квантовой механики, состоялся знаменитый спор между Альбертом Эйнштейном и Нильсом Бором по поводу интерпретируемости квантовой механики. На тот момент победила точка зрения Бора («копенгагенская интерпретация»), указывающая, что следует абстрагироваться от концептуализации событий, происходящих при квантовых взаимодействиях, удовлетворившись математической согласованностью квантовой механики. При этом квантовая система понимается во многом как «черный ящик», но ее уравнения с удивительной точностью подтверждают результаты экспериментов.

Основное отличие квантовой физики (доминирует в микромире) от классической физики (доминирует в макромире) заключается в вероятностном характере квантовых процессов. Так, применительно к электрону в атоме, уравнения квантовой механики дают распределение вероятностей, указывающих, в какой точке орбитали должен быть электрон – и именно там он и оказывается по результатам эксперимента.

В нашем блоге Q# мы часто сосредотачиваемся на инструментах, включенных в Quantum Development Kit, новых функциях или конкретных приложениях. На этот раз давайте сделаем шаг назад и посмотрим на рабочий процесс квантовой разработки программного обеспечения, этапы, через которые квантовая программа переходит от идеи до полной реализации, и инструменты, предлагаемые QDK для каждого этапа.

Это первая статья из планируемого цикла статей в рамках открытого курса по квантовому машинному обучению. В этой статье мы попытаемся ответить на самые частые вопросы, которые можно встретить в комментариях к статьям к хабе "Квантовые технологии". А именно, мы поговорим о том, что это за компьютеры вообще, какие задачи они могут решать и для чего все так хотят их создать. Дальше мы постараемся оценить тот размер квантовых компьютеров, который необходим для того, чтобы они стали практически полезными и сравним его с теми размерами, которые имеют самые топовые квантовые компьютеры сегодня. В конце немного обсудим тему квантового превосходства, а именно, что это такое ну и немного поговорим о том, сколько стоит сегодня запустить что-то на настоящем квантовом компьютере в облаке.

Мы пытаемся разобраться в том, что же такое сфера Блоха, которая представляет пространство состояний двухуровневой квантовой системы (кубита).

Развитие квантового Интернета – это огромная и многогранная инженерная задача, ее основы уже закладываются. Волоконно-оптические сети расширяются. Исследователи тайно болтают в локальных сетях. Планируется даже использовать небольшие спутники для квантовой связи на большие расстояния. Рано или поздно мы все сможем присоединиться к квантовой информационной супермагистрали.

Человеческая культура и промышленность издавна основывались на информации. Получение правильной информации, ее понимание и обмен дает нам силу и прибыль. Развитие Интернета утвердило роль информации, и мы только начинаем ощущать ее влияние.

Всем известно, что классическая механика является предельным случаем квантовой с одной стороны и теории относительности – с другой. Последние две наиболее точно описывают реальность, в то время как первая считается лишь удобным частным случаем. Из квантовой физики можно получить классическую, но не наоборот.

Еще один важный момент заключается в том, что многими по умолчанию подразумевается полнота волновой функции и фундаментальность уравнения Шредингера.

Но догмы имеют обыденность рушиться: теоремы о запрете признаются несостоятельными, скрытые переменные (как локальные так и не очень) имеют место быть, энтропия замкнутой системы может уменьшаться, а убеждения касательно кривизны вселенной регулярно обламываются новыми измерениями.

Недавно вышел препринт с забавным названием “Есть ли у роботов с квантовым процессором свобода ослушаться?”. Идея статьи в том, что квантовый процессор — возможно, достаточно сложная система, чтобы внутри нее возникло сознание, обладающее свободой воли (да, звучит как научная фантастика). 

Обычно про связь квантовой физики и сознания пишут всякие псевдоученые, и основным посылом там является что-то типа “мышление формирует реальность”, что следует просто из неправильной интерпретации проблемы измерения. В общем, я бы проигнорировала эту статью, если бы одним из авторов не был основатель квантовой лабы Google, и если бы статья не была про, собственно, квантовый процессор Google. Поэтому я решила разобраться подробнее, что же там имеется в виду.

К тому же, несмотря на то, что мне кажется, что квантовая механика не имеет отношения к свободе воли, я думаю, что следует искать аргументы против своей позиции. Это важно, чтобы иметь возможность поменять свое мнение в случае, если я неправа. Поэтому я решила разобраться подробнее, что же имеется в виду в этой статье.

В феврале 2021 года российская компания Скан-Электроникс открыла предзаказ на новинку в мире дозиметров: сцинтилляционный дозиметр-радиометр-спектрометр RadiaCode-101, а в марте прибор уже выходит на рынок. Прибор был куплен мною, и тестировался на протяжении месяца до написания обзора (обзор не рекламный, это мое личное мнение о приборе, приправленное характеристиками). Прибор находится еще в довольно "сыром" виде, и данный обзор демонстрирует состояние на конец мая 2021, в дальнейшем, возможно, будут дополнения к основной части.

Это статья о том, совместима ли детерминистическая картина мира с квантовой механикой, откуда в ней появляется фундаментальный рандом, как это должно влиять на наше мировосприятие, а также можно ли (гипотетически) достаточно точно моделировать будущее, хотя бы в терминах вероятностей (спойлер: вероятно, нет).

В предложенном новом проекте квантовые жёсткие диски будут использоваться для использоваться для объединения световых потоков от нескольких телескопов, позволяя астрономам создавать оптические изображения с невероятно высоким разрешением.

В эксперименте с двумя щелями фотон проходит сразу через обе щели и интерферирует с собой на другой стороне. Волна представляет возможные положения фотона; белый цвет указывает на места его наиболее вероятного обнаружения. Астрономы надеются представить оптические телескопы как отдельные щели. Представьте, что вы можете видеть поверхность похожей на Землю планеты, вращающейся вокруг другой звезды, или наблюдать, как звезда разрывается чёрной дырой.

Принцип запрета Паули с однозначной многочастичной волновой функцией эквивалентен требованию, чтобы волновая функция была антисимметричной по отношению к обмену частицами. Как это объяснить на пальцах? Легко - ткните пальцем в стол, в монитор, во что-нибудь твердое. Глубоко пронзили материю? Удалось достичь перекрывания атомных электронных облаков пальца и стола? Нет? Не удивительно. Читайте дальше, если хотите узнать, почему так.

Технологии, основанные на квантовых эффектах, обладают интересной двойственностью: с одной стороны, они давно стали реальностью (достаточно вспомнить о транзисторах и лазерах) и продолжают активно развиваться; с другой стороны, непросто вспомнить, какие значимые результаты получили широкую огласку в последние годы. Почти наверняка большинство читателей так же, как и я, вспомнят разве что объявление о достижении квантового превосходства. Но там до конца так и не было ясно, случилось оно или не случилось.

И всё же прогресс в квантовых технологиях заметен хотя бы по тому, какое внимание им уделяют крупнейшие корпорации. IBM ещё в 2018 году рапортовали о сотне тысяч пользователей платформы Quantum Experience, Microsoft создаёт quantum development kit, и даже J.P. Morgan пытается развить в компании quantum culture. Любопытно, что сейчас всё больше говорят о связи квантовых вычислений и искусственного интеллекта.

В конце ноября 2020 года я встретился с Алексеем Фёдоровым, одним из ведущих российских специалистов в области квантовых технологий, автором десятков научных публикаций, руководителем научной группы Российского квантового центра, профессором МФТИ и обладателем бесчисленного множества других регалий. Он многое рассказал о состоянии современной квантовой науки, о грядущих технологических внедрениях и об интересных задачах, которые можно решать прямо сейчас. Видеозапись интервью смотрите на YouTube, там же доступна и запись последующего доклада на конференции YaTalks.