logo logo
Сообщество робототехников

Как время повернулось вспять и жив ли кот Шрёдингера. 6 открытий года в квантовых технологиях

Как-время-повернулось-вспять-и-жив-ли-кот-Шрёдингера-6-открытий-года-в-квантовых-технологиях
Пятница, 12 Января 2018, в 18:13
Наука

Фундаментальные основы физики никто не трогал много лет (на то они и фундаментальные), пока не настал 2017 год, давший резкий скачок развитию квантовых технологий. Учёные совершили открытия, переворачивающие базовые представления о мире. Итак, кого и за что можно по праву считать Эйнштейном наших дней? Robohunter представляет топ-6 громких открытий в квантовой физике.

 

Квантовый компьютер на 51 кубит

Пока Google обещал представить 50-кубитный квантовый компьютер к концу 2017-го, в июле на конференции ICOT-2017 Михаил Лукин, основатель Российского квантового центра (РКЦ) и глава группы исследователей из Гарварда и MIT, объявил о создании и успешном тестировании компьютера на 51 кубит. Таким образом, российско-американская группа стала лидером негласной квантовой гонки.

 

Как-время-повернулось-вспять-и-жив-ли-кот-Шрёдингера-6-открытий-года-в-квантовых-технологиях2

Квантовый компьютер IBM

 

В чём суть: для создания кубита команда решила использовать не сверхпроводники, а холодные атомы, удерживаемые при сверхнизких температурах с помощью лазерных «пинцетов». Образно говоря, команда вернулась в прошлый век: от цифровых приборов – к аналоговым.

Что это даёт? Помимо создания универсального компьютера с вычислительными сверхмощностями, к чему стремятся квантовые физики, группе Лукина удалось обнаружить некоторые типы колебаний, которые при затухании возбуждения в системе всё равно продолжают… колебаться.

 

Как-время-повернулось-вспять-и-жив-ли-кот-Шрёдингера-6-открытий-года-в-квантовых-технологиях1

Михаил Лукин

 

Практическое применение: последний факт в перспективе позволит запустить на машине алгоритм Шора – тот самый метод разложения чисел на простые множители, с помощью которого можно взламывать криптографические системы с открытым ключом. Однако традиционному компьютеру на это понадобится много лет, а 51-кубитному – несколько минут. Это поставит под угрозу всю существующую сегодня систему шифрования.

 

Квантовая запутанность в биологической системе

Специалистам из Северо-Западного Университета (Иллинойс, США) удалось получить квантовую запутанность в биологической системе, что поможет разобраться с базовым пониманием биологии и приведёт к созданию биоустройств, функционирующих по законам квантовой физики.

В чём суть: квантовая запутанность – это способность двух частиц поддерживать связь друг с другом, находясь в разных точках пространства. Проще говоря, если воздействуют только на одну частицу из пары, то изменения «чувствуют» обе, даже если находятся по разные стороны галактики.

Учёные задумались, реально ли создать квантовый компьютер на биосубстрате. Они спутали фотоны флуоресцирующих молекул из бочкообразных белков водорослей с помощью спонтанного четырёхволнового смешения. В итоге фотоны поляризовались – то есть световые волны колебались в одном направлении. От разрушения смешения молекул защищали белки.

Как-время-повернулось-вспять-и-жив-ли-кот-Шрёдингера-6-открытий-года-в-квантовых-технологиях3

 

Практическое применение: явление квантовой запутанности сможет помочь учёным создать сверхскоростной квантовый Интернет и передавать суперзащищённые данные. Для реализации подобной технологии специалисты рассматривают не только синтетический, но и биологический субстрат.

 

Квантовая телепортация в космос

Физики из Шанхайского университета (руководитель группы – Цзянь-Вэй Пань) передали фотон с Земли на единственный космический околоземный спутник квантовой коммуникации QSS Mozi (с кит. «Мо-Цзы», с лат. – Micius). Частица преодолела 500 км, чем принесла учёным рекорд в расстоянии квантовой телепортации. Кроме того, впервые эксперимент прошёл не в условиях оптических лабораторий, а межзвёздной среде.

В чём суть: квантовая телепортация подразумевает передачу фотона на заданное расстояние. Здесь также имеет место быть явление квантовой запутанности: при передаче частицы квантовое состояние разрушается, а затем восстанавливается в одном и том же месте и времени.

Физики поставили эксперимент в вакуумном пространстве, что обеспечивает более надёжную передачу квантового состояния и сохраняет запутанность. Фотоны отправлялись с тибетской станции Нгари на высоте 4 км. За 32 дня Micius принял 911 фотонов, точность телепортации составила 80%.

 

Как-время-повернулось-вспять-и-жив-ли-кот-Шрёдингера-6-открытий-года-в-квантовых-технологиях4

 

Практическое применение: перспектива сверхдальней телепортации частиц означает появление глобального квантового Интернета для соединения квантовых компьютеров и передачи сообщений, исключающих возможность незаметного хищения данных.

 

Высокоскоростное квантовое шифрование

Команде специалистов из Университета Дьюка, Национальной лаборатории Ок-Ридж и Университета штата Огайо во главе с Нурулом Таймуром Исламом удалось добиться квантового шифрования со скоростью 1 Мбит/с, что в 10 раз выше скорости тех методов распределения ключей, которыми пользуются сегодня.

В чём суть: квантовое распределение ключей QKD основано на измерении крошечных бит материи и автоматическом изменении их свойств – для сверхбыстрого обмена ключами, чтобы предотвратить несанкционированные попытки перехвата.

Для реализации алгоритма QKD инженеры использовали ослабленный лазер для кодирования фотонов так, что одна частица помещает в себя два бита информации вместо одного, что и увеличило скорость, добившись величины безопасной скорости формирования ключа.

Как-время-повернулось-вспять-и-жив-ли-кот-Шрёдингера-6-открытий-года-в-квантовых-технологиях6

Как-время-повернулось-вспять-и-жив-ли-кот-Шрёдингера-6-открытий-года-в-квантовых-технологиях7

Практическое применение: если вспомнить первое описанное открытие, то новый квантовый метод шифрования очень кстати. Кроме того, квантовые ключи шифрования можно передавать по уже существующим линиям оптоволокна, так что повысить безопасность передачи данных можно хоть сейчас – осталось интегрировать в цифровую сеть однофотонные приёмники и передатчики.

 

Поворот времени вспять

Исследователи Федерального университета ABC (Бразилия) провели эксперимент, в ходе которого наблюдали спонтанный поток передачи энергии от холодного тела к горячему. Таким образом, они как бы нарушили Второй закон термодинамики – возрастание энтропии (хаоса) в замкнутых системах и, соответственно, повернули «стрелу времени» в обратную сторону.

В чём суть: согласно данному закону, энтропия, запутанность и время взаимосвязаны. Проще говоря, горячая чашка постепенно согревает холодные руки. Сложно говоря, энергия в нашей Вселенной с момента её зарождения распределялась равномерно, что определило направление стрелы времени.

А теперь представьте, что горячая чашка, согревшая холодные руки, стала «забирать» тепло обратно.

Учёные стали свидетелями подобного явления, запутав ядра атомов углерода (С) и водорода (Н) в молекуле хлороформа. Затем они применили к ним ядерно-магнитный резонанс – поглощение электромагнитных волн атомными ядрами – и увидели, как тепло перешло от холодной системы к тёплой.

 

Как-время-повернулось-вспять-и-жив-ли-кот-Шрёдингера-6-открытий-года-в-квантовых-технологиях5

 

Практическое применение: «нарушение» второго закона термодинамики говорит о том, что время способно течь в другую сторону. Путешествия во времени? Возможно. Но пока открытие бразильских учёных приблизило к тому, чтобы научиться обращать завершённые процессы – как сочетание «CTRL + Z» в ОС Windows.

 

Незаметное наблюдение за квантовыми частицами

Учёные из Кембриджского университета «установили слежку» за движением квантовых частиц, наблюдать которое в современной физике считалось невозможным.

В чём суть: теория поведения квантов (корпускулярно-волновой дуализм) гласит, что нельзя узнать, в каком состоянии находится квант (волна или частица), пока его не измерить. Помните кота Шрёдингера? Мы не узнаем, жив он или мёртв, пока не заглянем в коробку.

Американские исследователи выдвинули версию, что в момент движения частицы она взаимодействует с пространством и оставляет так называемые метки. Эти метки, закодированные в квантах, можно раскодировать уже в конце, то есть в момент измерения. Расшифровав информацию, учёные заметили, что она связана с волновой функцией – инструментом, который ранее существовал лишь на бумаге для математических расчётов.

 

Как-время-повернулось-вспять-и-жив-ли-кот-Шрёдингера-6-открытий-года-в-квантовых-технологиях98

Практическое применение: применения на практике как такового открытие не несёт. Но оно в корне меняет один из базовых постулатов квантовой механики, что с большой вероятностью даст новый виток развитию этой сферы и однозначно принесёт полезные на практике изобретения.

 

Заключение

Глобальные компании из США, Европы и Азии вкладывают большие деньги в развитие квантовых технологий. Квантовая гонка активно продолжается: Европейская комиссия выделила на развитие сферы $1 млрд, Англия проектирует свой квантовый компьютер, а Китай анонсировал запуск первой коммерческой квантовой сети.

Почему страны хотят выиграть гонку и какое место в ней занимает Россия? Как квантовые технологии повлияют на экономику и бизнес? В каких сферах они найдут применение? Quantum Technology Conference – международный B2B-форум, который ответит на эти и другие вопросы квантовой физики. Для этого 1 марта на одной площадке соберутся ведущие зарубежные и российские учёные, в том числе член РКЦ, известный квантовый физик, лидер мнений в научном сообществе Александр Львовский.

рейтинг

634

просмотров

0

комментариев

порекомендовать друзьям

комментарии

Нет комментариев

Гость

Дорогие друзья! Помните, что администрация сайта будет удалять:

  • Комментарии с грубой и ненормативной лексикой
  • Прямые или косвенные оскорбления героя поста или читателей
  • Короткие оценочные комментарии ("ужасно", "класс", "отстой")
  • Комментарии, разжигающие национальную и социальную рознь