2020 останется в истории как сорокалетний юбилей Второй квантовой революции

Наука и жизньНаука

Дрессировка кошек Шрёдингера в промышленных масштабах

Александр Загоскин, университет Лафборо (Великобритания)

Иллюстрация: pixabay.com

On s’engage, et puis on voit («Сначала надо ввязаться в бой, потом будет видно»).
Приписывается Наполеону

В фантастических романах главное это было радио. При нём ожидалось счастье человечества. Вот радио есть, а счастья нет.
И. Ильф. Записные книжки

Не отличись 2020 год многими другими странными событиями, он мог бы войти в историю как сорокалетний юбилей Второй квантовой революции. В 1980 году выдающийся советский математик Юрий Манин во введении к своей книге «Вычислимое и невычислимое» отметил, что квантовое вычислительное устройство — квантовый компьютер — будет обладать гораздо большим пространством состояний, чем классический с тем же числом элементов. Независимо от него в 1982 году ещё более выдающийся американский физик Ричард Фейнман в статье «Симулирование физики компьютерами» подошёл к вопросу с другой стороны: можно ли эффективно моделировать большую квантовую систему с помощью классических вычислительных устройств? И ответил: нет, её пространство состояний слишком велико, нужен именно квантовый компьютер.

Прежде чем рассказывать, какое отношение эти события имели ко Второй квантовой революции и что это за революция, нужно вспомнить, что такое «пространство состояний» и почему именно у квантовой системы оно так велико. Для простоты сравним набор обычных и квантовых битов.

Бит — это физическая система, которая может находиться в одном из двух возможных состояний («вверх-вниз», «право-лево», «вкл.-выкл.» и т. п.). Их удобно обозначать просто нулём и единицей. Набор из N битов может, таким образом, закодировать любое число от нуля до 2N –1 в двоичной системе счисления.

Квантовый бит, или кубит, отличается от обычного (классического) бита тем, что может находиться в любой суперпозиции состояний 0 и 1. Используя обозначения, введённые почти сто лет назад Полем Дираком, это можно записать так:

Здесь |ψ〉 — состояние кубита, а величины a и b, такие, что |a|2 + |b|2 = 1, говорят о том, чего в состоянии кубита «больше» — нуля или единицы. Это не значит, что если состояние кубита измерить, то получится что-то среднее между ними. Всегда получится либо ноль, либо единица — но если взять и измерить много кубитов в одном и том же состоянии |ψ〉, то доля тех, которые дадут ноль, будет |a|2, а тех, которые дадут единицу, — |b|2. Предсказать, что именно получится при каждом измерении, нельзя. Это не недостаток теории, а принципиальное свойство природы, очень хорошо подтверждённое и экспериментами, и практикой: природа принципиально случайна.

При слове «измерение» не нужно непременно представлять себе учёного с измерительным прибором. Этим словом для краткости обозначают любое взаимодействие кубита с окружающим миром, которое заставляет его в конце концов занять одно из состояний |0〉 или |1〉. В таком случае говорят, что измерение разрушает квантовую суперпозицию.

Однако вернёмся к кубиту до того, как его измерили. Чтобы описать его состояние |ψ〉, нужно не два числа, а целое двумерное пространство. Как для того, чтобы задать точку на плоскости, нужны координаты x и y, так и здесь нужны два числа, a и b. Эти числа не простые, а комплексные, но здесь это не принципиально. Важно то, что кубит «живёт» в двумерном пространстве. По сравнению с классическим битом, «живущим» всего в двух точках (0 и 1), квантовый бит — буквально властелин бесконечности.

Если теперь взять два кубита, то им потребуется уже четырёхмерное пространство. Действительно, два кубита могут находиться в любой суперпозиции четырёх состояний |00〉, |01〉, |10〉, |11〉 (здесь первая цифра говорит о состоянии кубита номер один, а вторая — кубита номер два), и для её описания нужно четыре числа, a, b, c ,d. Для трёх кубитов таких чисел потребуется уже восемь: каждый лишний кубит может быть в двух состояниях, поэтому число коэффициентов удваивается.

Интерпретация суперпозиции. Показано двоичное кодирование с помощью направлений спинов в системе из четырёх кубитов. Если последний кубит на нижнем рисунке находится в суперпозиции состояний «вверх» и «вниз», то вся система находится в суперпозиции состояний |4〉 и |5〉

Система из N кубитов обитает в пространстве размерностью 2N. Это значит, что для задания состояния 50 кубитов нужно задать 1 125 899 906 842 624 координаты, а для 5000 кубитов — больше чем 101505 координат (для точной записи этого числа потребовалось бы полстраницы цифр). Число атомов в наблюдаемой Вселенной не превышает 1080 и уместилось бы меньше чем в две строки. Неудивительно, что эффективно промоделировать поведение даже такой небольшой квантовой системы не сможет никакой классический компьютер.

Теперь перейдём ко Второй квантовой революции. Сначала, естественно, надо упомянуть Первую, тем более что на её достижениях стоит значительная часть современной цивилизации. Первая революция произошла в середине прошлого века, когда результаты квантовой механики применили в технике. Изначально таким применением было, естественно, военное — как и в большинстве передовых технологий в истории человечества, от стали и взрывчатки до радаров и ракет. Атомное оружие и атомная энергетика стали прямым результатом использования квантовой теории в ядерной физике и большим стимулом к её дальнейшему совершенствованию. Затем последовали электроника и сверхпроводниковые устройства, основанные на квантовой теории конденсированного состояния (то есть всего, что не газ и не плазма), и лазеры — на квантовой теории света и его взаимодействия с веществом. Без Первой квантовой революции вы не читали бы эту статью с экрана компьютера или смартфона, не пользовались бы интернетом.

Сейчас вам захочется остановить меня и сказать: что-то у вас тут не сходится. Лазеры, компьютеры и атомные бомбы содержат не тысячи, а триллионы триллионов атомов. Как же можно было описать и предсказать их поведение, пользуясь даже не обычными компьютерами, а карандашом, бумагой и логарифмической линейкой? Это совершенно законный вопрос, ответ на который — всё сходится. Просто нам всем невероятно повезло.

Дело в том, что квантовые эффекты, лежащие в основе Первой революции, затрагивают за раз очень небольшое число квантовых объектов или, выражаясь точнее, небольшое число квантовых степеней свободы (то есть независимых переменных, нужных для описания данного явления). Скажем, в квантовой теории конденсированного состояния достаточно часто можно свести описание поведения огромного числа взаимодействующих между собой электронов и ионов к поведению почти не взаимодействующих между собой квазичастиц. (Именно в этом нам и повезло.) В металле это так называемые электроны проводимости и фононы, в полупроводнике — электроны проводимости, фононы и дырки. Их, конечно, очень много, но раз они не взаимодействуют между собой, их можно рассматривать по отдельности, и задачу иногда можно решить вообще без компьютера, с помощью карандаша и бумаги. В сверхпроводниках ситуация сложнее; там образуется макроскопическое квантовое состояние, занимающее весь объём сверхпроводника. Но хотя в нём участвует заметная доля всех электронов сверхпроводника, это состояние можно описать всего лишь одним комплексным числом (которое называется «параметр порядка»), зависящим от одной пространственной координаты, так что и там мы имеем дело с небольшим числом квантовых степеней свободы. Говоря более формально, в Первой квантовой были задействованы квантовые эффекты, не использующие квантовые корреляции высокого порядка.

Покажем разницу на примере системы (регистра) из трёх кубитов. В регистр из трёх классических битов можно записать любое двоичное число от нуля (000) до семи (111). Но каждый квантовый бит независимо от других может быть в суперпозиции состояний 0 и 1. Поэтому состояние всего регистра можно записать как

Таким образом, в квантовый регистр можно записать все числа от нуля до семи одновременно. Эта удивительная возможность вовсю используется в квантовых алгоритмах, но её одной было бы совершенно недостаточно. Дело именно в том, что в состоянии |ψ0〉 все кубиты независимы. Если один из них перестанет находиться в суперпозиции и «свалится» в состояние 0 или 1, другие этого не почувствуют: каждый по-прежнему останется в суперпозиции своих состояний 0 и 1. Говорят, что состояние |ψ0〉 факторизовано (то есть может быть записано как произведение состояний отдельных кубитов).

Совсем другое дело, если регистр находится в так называемом состоянии Гринберга—Хорна—Цайлингера

Если мы измерим состояние кубита номер один, то суперпозиция его состояний разрушится — он окажется в состоянии 0 или 1 с одинаковой вероятностью ½. Беда в том, что все оставшиеся кубиты окажутся в том же состоянии, что и первый кубит. Из-за измерения только одного кубита ни один кубит не останется в суперпозиции квантовых состояний. Другими словами, если суперпозиция состояний хоть одного кубита разрушена, то разрушено квантовое состояние сразу всего регистра.

Такие квантовые состояния, в которых измерение одного кубита влияет на остальные, называются запутанными (или спутанными). |ψGHZ〉 — пример квантового состояния, в котором запутаны три кубита. А для того чтобы квантовые алгоритмы сработали для сколько-нибудь практически интересных задач, потребуются запутанные состояния не трёх, а сотен и тысяч кубитов.

Что может разрушить суперпозицию состояний одного кубита? Да что угодно! Флуктуации электромагнитного поля, тепловые колебания кристаллической решётки материала кубита или его окружения, в общем, то, что называется «шум». Любое достаточно сильное взаимодействие с окружающим миром может привести к тому, что вместо суперпозиции кубит окажется либо в состоянии |0〉 (с вероятностью |a|

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Настя Ивлеева Настя Ивлеева

Настя Ивлеева: «Цифровая реальность – это в высшей степени сексуально!»

Playboy
Физики объяснили, почему некоторые квантовые системы не достигают равновесия Физики объяснили, почему некоторые квантовые системы не достигают равновесия

В некоторых квантовых системах равновесие не достигается никогда

Популярная механика
За люриком под парусами За люриком под парусами

Странные чувства теребят меня после очередной северной экспедиции

Наука и жизнь
7 способов зарядиться энергией перед трудным днем 7 способов зарядиться энергией перед трудным днем

Как получить энергию перед сложным днем, чтобы не проиграть стрессу

Psychologies
Обидная повесть Обидная повесть

За что «Тараса Бульбу» не любили в Польше

Дилетант
8 жаропонижающих лайфхаков для автомобилистов 8 жаропонижающих лайфхаков для автомобилистов

Как не спариться от жары в автомобиле

Maxim
100 самых сексуальных женщин страны 100 самых сексуальных женщин страны

100 самых сексуальных женщин страны

Maxim
4 неожиданных музыкальных жанра, которые набирают популярность в России 4 неожиданных музыкальных жанра, которые набирают популярность в России

Spoitify: россияне стали слушать фонк, неопоп и хардбасс

Esquire
Опасные гидраты и где они обитают Опасные гидраты и где они обитают

Потепление климата связывают с ростом в атмосфере количества парниковых газов

Наука и жизнь
Опоссумы-альбиносы стали первыми генетически отредактированными сумчатыми Опоссумы-альбиносы стали первыми генетически отредактированными сумчатыми

Ученые впервые отключили у домовых опоссумов ген Tyr

N+1
Цербер Святой Елены Цербер Святой Елены

Кем был генерал Хадсон Лоу?

Дилетант
«Ты защитил семью»: вдова Михаила Круга в день его гибели показала нежное фото «Ты защитил семью»: вдова Михаила Круга в день его гибели показала нежное фото

Вдова Михаила Круга почтила память легендарного шансонье

Cosmopolitan
Удалил порно с собой и стал помогать моделям: разработчик создал сервис, который блокирует украденные видео с OnlyFans Удалил порно с собой и стал помогать моделям: разработчик создал сервис, который блокирует украденные видео с OnlyFans

Дэн Пёрселл помогает моделям с OnlyFans удалять украденный контент

VC.RU
«Игродром. Что нужно знать о видеоиграх и игровой культуре» «Игродром. Что нужно знать о видеоиграх и игровой культуре»

Отрывок из книги Александра Ветушинского об исследовании видеоигр

N+1
«Город заинтересован, чтобы личных машин было меньше»: зачем стартап внутри мэрии Москвы делает «народный каршеринг» «Город заинтересован, чтобы личных машин было меньше»: зачем стартап внутри мэрии Москвы делает «народный каршеринг»

Сервис, который через владельцы автомобилей могут сдавать их в аренду

VC.RU
Питание ребенка до года: как совместить прикорм и кормление грудью? Питание ребенка до года: как совместить прикорм и кормление грудью?

Врач-педиатр — о том, как совместить грудное вскармливание и «взрослое питание»

9 месяцев
7 распространенных заблуждений о том, что помогает в жару 7 распространенных заблуждений о том, что помогает в жару

Мы собрали 7 мифов о том, что помогает во время жаркой погоды

Maxim
Дмитрий Бычков и Варвара Шаталова: Дмитрий Бычков и Варвара Шаталова:

Дмитрий Бычков и Варвара Шаталова — о скалолазании и любви

Караван историй
Неизвестные ранее генетические элементы назвали в честь цивилизации Борг Неизвестные ранее генетические элементы назвали в честь цивилизации Борг

Внехромосомные элементы нового типа ассимилировали гены архей

N+1
Горячая линия Горячая линия

Как влияет жара и переизбыток солнца на нервную систему и наше настроение

Лиза
Ялта, парус! Самые романтичные фильмы про каникулы Ялта, парус! Самые романтичные фильмы про каникулы

Романтически фильмы, которые зарядят тебя хорошим настроением

Cosmopolitan
В некрополях Кембриджшира нашли казненных древнеримских преступников В некрополях Кембриджшира нашли казненных древнеримских преступников

Археологи исследовали останки людей IV века нашей эры с фермы Кнобба

N+1
Укрощение строптивых Укрощение строптивых

Правда и мифы о фильме «Полосатый рейс», который вышел 60 лет назад

Лиза
Ума палата. Тест-драйв нового Cadillac Escalade Ума палата. Тест-драйв нового Cadillac Escalade

Новый Escalade: огромный V8, рама и невероятное количество электроники

РБК
Личная жизнь звезд фильма «Викинг»: Ходченковой, Козловского, Бортич и других Личная жизнь звезд фильма «Викинг»: Ходченковой, Козловского, Бортич и других

Как изменилась личная жизнь артистов фильма «Викинг»?

Cosmopolitan
Похудела из-за любовницы жениха: как выглядела Диана на свадьбе с Чарльзом Похудела из-за любовницы жениха: как выглядела Диана на свадьбе с Чарльзом

Свадьба принца Чарльза и Дианы — одно из самых дорогих торжеств

Cosmopolitan
Для чего нужна термальная вода и как ее выбрать Для чего нужна термальная вода и как ее выбрать

В чем суперсила термальной воды?

Psychologies
Лжеимператор, поручик-бунтовщик, ссыльный песенник: три дерзких побега с каторги Лжеимператор, поручик-бунтовщик, ссыльный песенник: три дерзких побега с каторги

3 истории побегов с каторги

Вокруг света
А дома лучше А дома лучше

История любви модели Жени Катавы и ее избранника

Tatler
Горькая правда: чем отличается эль от пива Горькая правда: чем отличается эль от пива

Боремся с пивными мифами

Playboy
Открыть в приложении