Мы с вами живем в удивительное время, когда нам очень повезло в смысле того, что мы видим в науке. Наука ХХ века (сейчас я в основном говорю про вещи, связанные с квантовой механикой) эпохально развивалась в течение прошлого столетия, начиная с открытия Планка и через открытия известных ученых Гейзенберга, Фока, Эйнштейна, Фельдмана, Ландау. Так получилось, что к концу ХХ века эта наука была прекрасно разработана, все было известно, но была маленькая проблема: технические возможности — наши с вами и прежде всего экспериментаторов — были ограничены.

Мы живем в век очередной технологической революции. Все, что было наработано в течение ХХ века, в течение буквально десятка лет, начиная с 90-х годов прошлого века и кончая настоящим временем, нашло воплощение в аппаратуре, которую можно создать и использовать при исследованиях. Если говорить научным языком, то это связано с тем, что-то, что делалось в прошлом веке (прежде всего в эксперименте), было связано с так называемым ансамблевым подходом, когда физики изучали большие коллективы квантовых объектов, частиц, фотонов. Сейчас в связи с бурным развитием техники мы получили доступ к индивидуальным объектам: отдельным атомам, ионам, квантовым точкам, фотонам. Это все наложило существенный прагматический отпечаток в создании конкретных устройств.

Собственно, вокруг этой парадигмы и развивается такая отрасль междисциплинарных знаний, как квантовая обработка информации. Что это такое? Я рассказываю популярно, не вдаваясь в детали. Условно говоря, три кита, на которых эта область стоит, — это квантовое вычисление (сейчас более корректно говорить о квантовых симуляциях), квантовая связь, а третья область (она немного в стороне в том смысле, что она меня как экспериментатора не очень сильно волнует, но это не умаляет ее достоинств) — это квантовое моделирование. Я буду рассказывать о первых двух, потому что буквально за последние 5–10 лет произошли колоссальные подвижки в сторону понимания того, что происходит в этих областях, и в создании конкретных устройств.

Я начну с области, которая называется квантовая связь. Она на слуху, потому что очень много средств массовой информации уделяют внимание этой теме. Она популярно излагается на разных уровнях — хорошо или плохо, не нам судить. Я говорю как физик-экспериментатор: здесь речь идет о разработке принципиально новой концепции обмена информацией. Наиболее известная и броская часть мотивации этих исследований — это то, что связь может быть совершенно секретной. Посредством разных протоколов, алгоритмов и действий она делается так, что два или более легитимных пользователя получают совершенно идентичные последовательности битов, которые неизвестны другой стороне. Это называется квантовая криптография, хотя квантовая коммуникация как таковая не сводится к квантовой криптографии. Имеется много других очень интересных приложений, например квантовая телепортация, плотное кодирование, передача данных — все это называется квантовой коммуникацией.

То, что происходит сейчас на технологическом уровне, о котором я уже говорил, связано с двумя целями и мотивационными аргументами: во-первых, увеличение дальности такой передачи и реализации связи, во-вторых, обеспечение надежности. И то и другое во многом технические задачи, связанные с тем, что бурно развиваются телекоммуникационные средства связи. Это все, что связано с классическими линиями связи (волоконными, атмосферными), приборами, которые так или иначе задействованы, — это модуляторы, детекторы, лазеры. Множество всего полезного, что прекрасно работает в квантовой области.

Что касается надежности, то здесь речь идет о математической стороне, то есть создании и доказательстве секретности соответствующих протоколов связи. Протокол — это некая последовательность действий, которая ведет к результату. В данном случае это распределение идентичных последовательностей битов на двух удаленных сторонах. Здесь есть определенное поле для деятельности ученых, прежде всего математиков, которые тесно связаны с физиками, потому что специфика жанра в том, что сильной привязке доказательства секретности к аппаратуре, которая реализует тот или иной протокол.

Говоря об этом ките «квантовая связь», надо удовлетворенно заметить, что стадия исследовательских разработок в основном пройдена. Это не касается проблемы доказательства секретности некоторых протоколов, но на фундаментальном уровне вопросы, связанные с приготовлением квантовых состояний, их измерением, преобразованием по ходу эволюции, уже хорошо известны. Более того, они были известны раньше, в конце прошлого столетия, в такой науке, которая называется квантовая оптика. Сейчас речь идет о создании конкретных машин, которые будут использоваться в системах безопасной связи. Это сложные устройства, но тем не менее ничего за пределами фундаментальных знаний тут нет. Все это прекрасно разработано, надо только делать. В общем, понятно, в каком направлении двигаться.

Учитывая последние достижения, о которых все знают по сообщениям из Китая, Европейского союза, Юго-Восточной Азии, все прорывы связаны с реализацией связи между Землей и спутником, между разными спутниками. В дальнейшем это приведет к созданию глобальной защищенной связи, которая будет покрывать большие расстояния, потому что все, что связано с такими протоколами и реализовано через промышленные волоконно-оптические линии, очень хорошо развито. Такие машины имеются и у нас, и за рубежом. Сейчас проблема состоит в том, чтобы сделать это очень аккуратно, с учетом требований, которые предъявляются на уровне криптографической защиты, и обеспечить глобальную связь, дотянуться такой связью до самых удаленных уголков нашей страны. Еще раз подчеркиваю, что в этой части науки — квантовой обработке информации — исследование можно считать завершенным, просто надо делать соответствующие аппараты.

Совсем другая ситуация на другой ноге из трех ног этой области — в квантовых вычислениях. Не секрет, что речь идет о создании в некоем отдаленном будущем устройств, которые называются квантовые компьютеры. Сейчас более корректно говорить не о квантовых компьютерах, а о квантовых симуляторах — в том смысле, что речь идет об исследовании свойств неких более простых систем, которые аналогичны свойствам более сложных систем на квантовом уровне. Допустим, мы хотим рассчитать свойства какой-то сложной молекулы. Это не умеет делать пока никто, для сложных четырех- и пятиатомных молекул тем более. Этим занимается квантовая химия, но там тоже есть большие сложности, связанные с огромными вычислительными ресурсами, которые для этого требуются. Считается, что квантовые вычисления в силу специфики того, как они устроены (параллельная обработка информации), эту проблему преодолеют. Но здесь очень много неизвестного на пути создания конкретных устройств. Дело обстоит совсем не так хорошо, как в случае с квантовой коммуникацией. Пока ученые умеют делать простейшие симуляторы, которые рассчитывают свойства самых простых молекул, двух- и трехатомных. Тем не менее это огромный шаг вперед по сравнению с тем, что было сделано 5–10 лет назад.

Рекомендуем по этой теме:
4264
Квантовые симуляторы

Другая отличительная черта такой области знания, как квантовые симуляторы и квантовые вычисления, состоит в том, что физики пока не знают, какая конкретно модель будет в конечном итоге использоваться для создания квантового компьютера. На сегодняшний день в мире и Российской Федерации разрабатывается несколько таких моделей, известно порядка десяти. Так или иначе они удовлетворяют некоторым известным сформулированным критериям, которым должны удовлетворять квантовые симуляторы и вычислители. Но есть плюсы, есть минусы — ни одна из десяти моделей не удовлетворяет критериям в полной мере. Поэтому исследования важно вести широким фронтом. Если говорить применительно к нашей стране, то не больше пяти моделей более-менее разработано. Я имею в виду, конечно, экспериментальные разработки. Это связано со сверхпроводящими системами, линейно оптическими вычислениями, моделями нейтральных атомов и примесными полупроводниковыми структурами. Если оценивать перспективы движения в этом направлении, создании конкретных машин, которые рассчитывают свойства спектра более-менее сложных молекул, то я думаю, что перспективы здесь в течение ближайших 5–10 лет. Хотя еще раз повторяю, что отдельные симуляции простых молекул известны уже сейчас, в том числе у нас в стране. Это направление очень хорошо развивается.

Третье направление, которое меньше относится к экспериментальной области, а больше к моделированию, так и называется — компьютерное моделирование. Задачи, о которых я немного рассказывал во второй области, — создание квантовых компьютеров и квантовых симуляторов — можно симулировать на классических компьютерах. Это развитая область в мире. И у нас в стране есть несколько групп, которые успешно этим занимаются. Но еще раз подчеркиваю, что первые две области будут тесно связаны с экспериментами и соответствующими технологиями, которые очень бурно развиваются, а третья, соответственно, более компьютерно-расчетно-симуляционная.

Отдельным фрагментом маленькой лекции я бы выделил научную проблему измерения квантовых состояний. Любой квантовый процесс (даже те, о которых я упоминал только что) проходит три глобальных стадии: приготовление, преобразование, измерение. Хотя измерение фигурирует только на конечном этапе, надо понимать: чтобы полностью контролировать все этапы эволюции квантового состояния, необходимо понимать и лучше знать, какие изменения состояние претерпевает на пути этой эволюции. Хорошо бы иметь полный (или хотя бы частичный) контроль за состоянием квантового объекта на полном этапе его жизни — от приготовления до измерения.

В этой связи существуют бурно развивающиеся в последнее время направления. Их два, они тесно связаны: томография квантовых состояний и томография квантовых процессов. Если попытаться просто объяснить, как они работают, то томография квантовых состояний выглядит так: есть неизвестное квантовое состояние, которое надо померить (это отдельная проблема, я скажу об этом чуть позже), дальше оно подвергается известным преобразованиям — унитарным, как правило. Грубо говоря, выписывают некие уравнения, которые входят в левую часть преобразования над неизвестным состоянием, а в правой части получаются ответы. Ответ — это то, что мы получаем в результате классических измерений нового преобразованного объекта. Оказывается, что если таких измерений было сделано достаточное количество, можно по результатам измерения, при этом зная то преобразование, которому мы подвергали неизвестное входное состояние, восстановить полное квантовое свойство такого состояния.

Приведу короткий понятный пример: простейшее квантовое состояние, которое описывается двухуровневой системой, — это кубит, квантовый бит информации. Двухуровневое состояние, если оно описывается волновой функцией или вектором состояния в некотором пространстве. Такое чистое состояние имеет два действительных независимых параметра, которые надо измерить. Если это состояние чуть сложнее, оно называется смешанным, надо в общем случае d2, где d — размерность системы. Для двухуровневой системы нужно четыре измерения, с учетом нормировки получается три. Хотя в эксперименте, забегая вперед, никакой нормировки неизвестно, так что нужно d2. Число таких измерений, независимых от более сложных объектов, растет степенным образом. Если вы хотите померить десятиуровневую систему, вам нужно 102 — произвести сто измерений.

Как происходит измерение? Неслучайно то, о чем я рассказываю, называется томография. В принципе аналогия с медицинской томографией совершенно очевидна и прозрачна. Фактически ситуация сводится к понижению размерности пространства путем выполнения специальных измерений. Если взять, к примеру, томографию головного мозга, то это послойные срезы (в хорошем смысле) такого трехмерного объекта, как наша голова, и последующая математическая обработка этих двухмерных проекций с целью восстановления. Точно так же происходит и в квантовой механике: если мы хотим померить какое-то состояние, мы производим его измерение, то есть проекции на другие состояния. В случае такой простейшей двухуровневой системы, как кубит, надо сделать как минимум две проекции.

Рекомендуем по этой теме:
4324
FAQ: Квантовые интерфейсы

Томография квантового процесса — это похожая вещь. Из названия ясно, что померить нужно не состояние, а то преобразование, которое производится над состоянием в простейшем виде. Поэтому эти алгоритмы работают следующим образом: на неизвестный объект, который осуществляет преобразование, вы подаете известное состояние и дальше измеряете. Известное состояние преобразовалось неизвестным образом, и получился некий результат, который вы измеряете. Вам известен результат, вам известно входное состояние, поэтому можно восстановить операцию, которая привела к этому исходу. Существует очень стройная наука, которая все это математически оправдывает. Подытоживая, хочу сказать, что на маленьком последнем примере я показал, что, с одной стороны, все довольно просто, потому что наука разработана, с другой стороны, это все тонкие и прецизионные эксперименты, которые нужно просто делать.