Квантовые технологии что это
Квантовые технологии. Модуль 1
Узнайте главные законы квантового мира
Задача этого курса — рассказать об устройстве квантового мира, его законах и о том, как именно квантовые эффекты могут быть полезны для ученых и инженеров, как создаются и как работают квантовые устройства.
Многие из квантовых устройств уже существуют в реальности — в виде лабораторных установок, технологических прототипов, некоторые из них даже можно купить. Очень скоро IT-профессионалы столкнутся с необходимостью понимать принципы работы квантовых приборов.
Развитие традиционной электроники приближается к своему пределу: мы не сможем делать транзисторы меньше определенного размера, а значит, рост вычислительной мощности на единицу объема устройства скоро остановится. Тысячи ученых и инженеров ищут способы обхода этих ограничений, и многие эксперты считают, что будущее за решениями, основанными на квантовых эффектах.
В этом модуле вы узнаете:
• что такое кванты;
• как ученые узнали о существовании квантовых эффектов;
• чем квантовый мир отличается от привычного нам мира классической физики и какие законы им управляют.
Оглавление
Модуль 1. Главные законы квантового мира
Проверочный тест
Что такое квант?
Коротко: энергия и излучение передаются не непрерывно, а конечными порциями, квантами.
Длинно: слово «квант» (quantum) можно перевести с английского как «количество, порция, квант», само это название указывает на то, что одной из основ квантовой механики является принцип «квантования». Согласно этому принципу энергия излучения поглощается и передается порциями, квантами. Это верно для очень многих объектов микромира, в первую очередь для атомов и электронов.
Пример: с «квантовыми» преобразованиями мы постоянно сталкиваемся в быту, когда, например, имеем дело с цифровой техникой. Так, звук имеет волновую природу, и в аналоговой аппаратуре он записывался «как есть», то есть колебания мембраны микрофона превращались в дорожки на грампластинке. На цифровой записи звук «квантуется»: техника с определенной частотой (ее называют частотой дискретизации) измеряет силу звука и получает набор 32 «квантовых» значений.
Квантовые процессы в атоме
Привычная нам со школы планетарная модель атома Эрнеста Резерфорда, в которой электроны-планеты вращаются вокруг ядра-солнца, на самом деле не может существовать в реальности. Согласно законам классической физики электроны, двигаясь по кольцевым орбитам и испытывая ускорение, должны излучать и терять энергию. Следовательно, через очень короткое время электроны должны были бы упасть на ядро, и атом прекратил бы существовать.
Квантовые постулаты Нильса Бора гласили, что у электрона в атоме есть определенный набор дискретных энергетических состояний (уровней, или орбит), причем электроны излучают (то есть испускают) фотон определенной энергии только в момент перехода на более низкий уровень. Пока электрон находится на определенном энергетическом уровне, он не излучает — делать это он может только при переходе на другой уровень.
Теория атома Бора позволила, например, объяснить существование линейчатых спектров. Линии в спектрах указывали, что атомы почему-то предпочитали поглощать или излучать только на каких-то излюбленных частотах. Объяснить это классическими методами не удавалось. Только новые представления об атоме позволили понять, что линии в спектрах соответствуют определенным энергетическим уровням.
Энергетические переходы в атоме: поглощение фотона приводит к переходу электрона на более высокий энергетический уровень (например: с Е1 на Е2, как на схеме), а испускание — на нижележащий уровень (с Е3 на Е2).
Энергетические переходы в атоме зависят от длины волны поглощенного или испущенного излучения. По традиции их называют по именам ученых, открывших соответствующие этим переходам серии линий в спектре: серия Лаймана, серия Бальмера и так далее.
Квантовая природа энергетических переходов в атомах позволила нам создать первые квантовые устройства — лазеры. В основе их работы лежит использование эффекта вынужденного излучения.
Если коротко, этот эффект состоит в том, что, облучая некоторые вещества излучением определенной длины волны, можно добиться инверсной заселенности энергетических уровней в атомах — большая часть электронов окажется на верхних этажах. Затем они начинают излучать, но излучать не «обычный» свет, а когерентный и монохроматический, то есть строго упорядоченный по фазе и одной определенной длины волны.
Кроме того, на использовании энергетических переходов основаны квантовые стандарты частоты и атомные часы, измеряющие время благодаря очень точной периодичности энергетических переходов в атомах.
История: как ученые узнали о квантовом мире
Загадка фотоэффекта
Представление о фотоне, элементарной частице — переносчике электромагнитного взаимодействия, возникло в начале XX века благодаря появлению ряда парадоксов, которые не могла разрешить классическая физика. В их числе был и фотоэффект, или испускание электронов с поверхности металла при облучении ее светом.
Оказалось, что при изменении цвета излучения с зеленого на красный электроны с поверхности металла вылетать переставали. Причем мощность красного света, падающего на пластинку, значения не имела.
Объяснил это явление Альберт Эйнштейн. Он предположил, что свет излучается порциями, квантами, энергия которых определяется частотой (то есть цветом) излучения.
Увеличивая интенсивность красного света, мы не даем каждому фотону дополнительную энергию, а просто увеличиваем количество частиц света, падающих на поверхность, и если одиночный фотон не в силах выбить электрон, то это не смогут и все остальные.
Зеленый свет имеет меньшую длину волны, а значит, его фотоны обладают большей энергией. И энергии каждого «зеленого» фотона оказывается достаточно, чтобы выбить электрон.
Ультрафиолетовая катастрофа
Еще одна проблема — так называемая ультрафиолетовая катастрофа, связанная с понятием абсолютно черного тела. В самом общем виде это объект, который ничего не отражает и поглощает все падающее на него электромагнитное излучение, а потом излучает поглощенную энергию, например в инфракрасном диапазоне.
Абсолютно черное тело, как и другие идеальные физические объекты (например, идеальный газ), в природе не существует, но приближением к нему, своего рода моделью, может служить отверстие в полом ящике, которое «не выпускает» попавшее в него излучение.
Модель абсолютно черного тела, поглощающего, но не отражающего излучение
В рамках классической физики формула Релея — Джинса предсказывала, что в ультрафиолетовом диапазоне энергия, излучаемая абсолютно черным телом, становится бесконечной. Это, разумеется, не имеет смысла, а значит, не имеет смысла и теория, на которой основывается формула. Классическая физика сталкивается с «ультрафиолетовой катастрофой».
Ситуацию спас Макс Планк, описавший излучение абсолютно черного тела исходя из квантовой теории, то есть исходя из допущения, что атомы могут поглощать и излучать свет только порциями и только на определенных частотах. Формула Планка давала реалистичные предсказания и в ультрафиолетовом диапазоне.
Зависимость излучательной способности черного тела (r) от частоты (омега). Классическая теория (формула Релея — Джинса) предсказывает бесконечный рост, квантовые теории (формулы Планка и Вина) дают реалистичные предсказания.
Корпускулярно-волновой дуализм
Чтобы совместить противоречащие друг другу свойства, проявляемые светом в разных условиях, была сформулирована идея корпускулярно-волнового дуализма. Согласно этой концепции у каждого объекта, обладающего энергией и импульсом, есть связанная с этими параметрами длина волны (волна де Бройля).
Частица начинает вести себя не как точечный объект, а как волна, когда ее окружение и измерительный прибор становятся сравнимы по размерам с этой длиной. Чем выше масса, тем короче длина волны де Бройля и тем сложнее заметить волновое поведение.
Широко известно, что волновые свойства демонстрируют электроны, однако типичные для волны эффекты, например способность формировать дифракционную картину (последовательность полос на экране, созданных взаимным усилением или, наоборот, ослаблением волн), показывают и значительно более массивные объекты.
В экспериментах дифракционная картина наблюдалась, например, у фуллеренов — молекул, состоящих из 60 атомов углерода.
Однако в позднем и более строгом варианте квантовой механики понятие волны де Бройля заменено волновой функцией — уравнением Шрёдингера, описывающим квантовые объекты.
Квантовые эффекты: принцип неопределенности
Коротко: в квантовом мире действует правило: чем точнее мы пытаемся измерить один параметр объекта, тем менее точным оказывается другой параметр, и наоборот.
Длинно: квантовый мир сильно отличается от «классического», в том числе тем, что любые события и параметры процессов носят вероятностный характер. Мы не можем сказать, что тот или иной объект находится в определенной точке, мы можем сказать лишь, что он находится в той или иной точке с определенной вероятностью.
В рамках классической механики вы можете измерить координату и скорость частицы сколь угодно точно — эти параметры не связаны друг с другом, и сам факт измерения никак их не изменяет. Однако в микромире в действие вступает один из главных квантовых законов — принцип неопределенности Вернера Гейзенберга.
Он гласит, что произведение погрешностей измерения этих двух величин — координаты (x) и скорости (v) — не может быть меньше постоянной Планка (h) (константы, связывающей длину волны и энергию фотонов), разделенной на массу частицы (m).
Это означает, что если вы увеличиваете точность измерения координаты, то вам придется пожертвовать точностью измерения скорости, и наоборот. Вы можете попытаться измерить абсолютно точно координату, но при этом вы ничего не будете знать о скорости.
Принцип неопределенности относится не только к скорости и координатам — он работает для любых пар связанных параметров любой квантовой системы (например, энергия частицы и момент времени, когда она обладает этой энергией).
Природа этой неопределенности связана с процессом измерения. В «классическом» мире измерение почти никак не влияет на измеряемый параметр. В квантовом мире измерительный прибор влияет на системы, взаимодействует с ними — иначе говоря, на какое-то время образует с ними единую квантовую систему и тем самым вносит неустранимые помехи.
Поэтому состояние квантовых объектов описывается уравнением Шрёдингера, указывающим лишь вероятность нахождения частицы в определенной точке. «Размытое», вероятностное поведение квантовых объектов ведет к явлению «квантового туннелирования» — способности квантовых объектов проникать сквозь стены, точнее, проходить сквозь квантовый барьер.
В классической физике, если объект, например пуля, не имеет достаточной энергии, чтобы пробить стену, он останется по эту сторону стены; если мяч, который вы бросили, не смог выкатиться из ямы, потому что вы недостаточно сильно его толкнули, то он скатится обратно. В этом случае физики говорят, что объект не смог преодолеть потенциальный барьер.
Однако в квантовом мире волновая функция у потенциального барьера убывает экспоненциально (но все же не мгновенно), и если барьер не будет слишком высок, то есть ненулевая вероятность, что частица окажется по другую его сторону.
На эффекте квантового туннелирования основаны многие технологии, в частности туннельные микроскопы, благодаря туннельному эффекту работают сверхпроводящие кубиты — элементы квантовых вычислительных устройств.
Квантовые эффекты: запутанность и телепортация
Что такое суперпозиция
Еще одна черта зыбкости квантового мира — способность квантовых объектов находиться в состоянии суперпозиции. Этот термин используется и в классической физике, где он означает способность волн складываться друг с другом, усиливая или ослабляя друг друга.
В отличие от них, квантовые объекты могут находиться одновременно в нескольких состояниях. Если точнее, то волновую функцию квантовой системы в суперпозиции можно описать как сумму вероятностей двух состояний, где состояние 1 имеет одну вероятность, а состояние 2 — другую.
Если квантовую систему измерить, то мы будем наблюдать какое-то одно из состояний (как говорят физики, система коллапсирует в определенное состояние).
Геометрическое представление суперпозиции квантового объекта, который может иметь спин (магнитный момент) 1 или 0. Греческой буквой «пси» обозначена волновая функция, зависимая от соотношения вероятностей обоих состояний.
Фотон в суперпозиции
Один из примеров — фотон, способный находиться в суперпозиции двух состояний: горизонтальной и вертикальной поляризации.
Поляризация — одно из свойств электромагнитного излучения; ее, говоря в общем, можно представить как ориентацию плоскости, в которой колеблется электромагнитная волна.
В излучении от многих источников, например от Солнца, плоскость поляризации может быть ориентирована хаотически. Но если такое излучение пропустить через поляризатор — фильтр, роль которого могут играть, например, некоторые кристаллы, — то сквозь него пройдет только излучение c определенной ориентацией поляризации, например вертикальной.
У каждого состояния фотона есть определенная вероятность. Если мы измерим его поляризацию, то получим одно определенное значение. Но для того, чтобы понять, какими были исходные вероятности, нам нужно будет измерить множество таких фотонов (если нам удастся их получить).
Суперпозиция может касаться как «внутренних» состояний частицы, так и ее пространственных положений, то есть, говоря в общем, объект находится одновременно в двух точках. Если использовать более корректную формулировку, то волновая функция говорит нам, что вероятность для одной точки одна, для другой — другая.
Можно провести эксперимент с фотоном: послать его через полупрозрачное зеркало, соприкоснувшись с которым он с 50-процентной вероятностью отразится, а с 50-процентной вероятностью пройдет насквозь. В этом случае он будет «одновременно» и с одной стороны зеркала, и с другой.
Если мы проведем измерения, то фотон окажется где-то в одной точке, но мы можем построить оптическую систему так, что оба пути от зеркала сошлись вновь, и в этом случае мы увидим дифракционную картину — след интерференции (смешивания) фотона с самим собой.
Квантовая запутанность
Частный случай суперпозиции — квантовая запутанность, способность квантовых объектов «чувствовать» друг друга на любом расстоянии. Эйнштейн называл ее «жутким дальнодействием».
В классическом мире запутанность можно описать с помощью такой аналогии: представьте, что двух человек (назовем их по традиции, принятой у квантовых физиков, Алиса и Боб) попросили не глядя выбрать одну из двух разных монет.
После этого Алиса отправилась на Альфу Центавра, а Боб остался дома. Тем не менее, между ними сохранилась определенная связь: стоит Алисе посмотреть на свою монету, и она сразу поймет, какая монета осталась у Боба на Земле.
В квантовом случае все выглядит почти так же: представим себе запутанную квантовую систему из двух фотонов. Она описывается одной волновой функцией, устанавливающей определенные вероятности, что один фотон окажется с вертикальной поляризацией, а другой — с горизонтальной, причем речь идет о связанных параметрах, которые нельзя определить независимо (физики говорят в этом случае о несепарабельной системе).
В этом случае, если Алиса увезет свой фотон на Альфу Центавра, измерит его поляризацию и получит, что она вертикальная, то в тот же момент поймет, что у Боба остался фотон с горизонтальной поляризацией. «Жуть» ситуации состоит в том, что фотон Боба никак не может знать, какое состояние «правильное», но тем не менее его измерение на Земле даст именно эту поляризацию и никакую другую.
Бизнес на квантах: как квантовые технологии применяют уже сейчас
Технологии, основанные на принципах квантовой механики, уже применяют для разработки решений, которые выведут инновации на новый — квантовый — уровень. Расскажем, как кванты выходят из лабораторий и становятся частью цифровой экономики.
В ХХ веке первая квантовая революция подарила миру транзисторы, лазеры, интегральные схемы и мобильную связь. Вторая волна практического применения квантовых технологий уже близко и включает несколько направлений. Перспективными для бизнеса могут быть три: квантовые вычисления (компьютеры), защищенные квантовые коммуникации и квантовые сенсоры.
Квантовые вычисления: грядет эпоха квантовых компьютеров
Что это. Если не вдаваться в научные подробности, квантовый компьютер — устройство, работа которого базируется на преобразовании квантовых состояний индивидуальных частиц с последующим измерением результата. Для решения задач он применяет не классические алгоритмы, а квантовые.
Зачем нужны. В перспективе квантовые компьютеры способны решать сложнейшие вычислительные задачи, которые обычные компьютеры решают медленно — десятки и сотни лет, например:
В будущем квантовые вычисления будут применять в самых разных сферах — везде, где обычные компьютеры будут работать медленнее и выдавать больше ошибок. Например, для управления движением транспортных средств (воздушных, морских, наземных), прогнозирования погоды, предупреждения чрезвычайных ситуаций, в оборонной, горнодобывающей и автомобильной промышленности, медицине и других отраслях.
Что уже разработано. Большинство созданных к 2019 году систем далеки от тех впечатляющих возможностей, которые заявлены для квантовых компьютеров, и могут решать только ограниченный круг задач. Поэтому их называют квантовыми симуляторами, или адиабатическими компьютерами.
Примером квантовых симуляторов являются устройства канадской компании D-wave Systems. В линейке устройств D-wave Systems есть системы мощностью от 16 до 2 000 кубит, также было анонсировано 5000-кубитное устройство. В исследовательских целях такие компьютеры уже закупили NASA, Volkswagen, научно-исследовательская лаборатория в Лос-Аламосе, Google и Lockheed Martin.
Универсальные компьютеры, подходящие для решения различных задач (их можно считать «настоящими» квантовыми компьютерами), разработала компания IBM. В 2019 году она обновила свою коммерческую квантовую вычислительную систему, увеличив ее производительность в два раза: до 53 кубитов, тогда как старые модели были построены на 20 кубитах. Эта квантовая система модернизирована для работы в облачной среде. Однако даже после этого рано считать, что квантовые компьютеры уже вот-вот заменят обычные — пока они слабее традиционных.
В октябре 2019 года о достижении квантового превосходства заявила Google. По результатам исследования, их 54-кубитная система Sycamore за 200 секунд решила задачу, на которую у самого быстрого суперкомпьютера ушло бы 10 000 лет. В IBM к заявлению отнеслись скептически: там считают, что классический компьютер мог выполнить эти вычисления за 2,5 дня, и был бы точнее.
Нужно отметить, что сам предмет обсуждения — эффективность квантового компьютера — пока находится в стадии дискуссии, хотя нельзя отрицать значительных успехов компании Google в развитии технологий квантовых вычислений.
Квантовые коммуникации: защищенная передача информации
Что это. Квантовые коммуникационные сети подразумевают передачу квантовой информации между двумя удаленными в пространстве квантовыми системами способом, защищенным от злоумышленников. И ученые в этой области добились больших успехов, чем в разработке универсального квантового компьютера.
Главное преимущество защиты данных в квантовых коммуникационных сетях базируется на способе получения секретного ключа, секретность которого основана на неделимости кванта и невозможности скопировать квантовое состояние, то есть на законах квантовой физики.
Ключ не передается в непосредственном виде, подобно тому, как передается классическая информация. Секретный квантовый ключ образуется у двух пользователей в процессе передачи и измерения квантовых состояний, например, с помощью поляризованных фотонов.
Зачем нужны. Интерес к квантовым коммуникациям отчасти связан с развитием big data — все эти большие данные нужно обрабатывать и передавать с высокой скоростью и защищенным способом. По прогнозам IDC, к 2020 году почти 40% данных будут обрабатываться с использованием облачных сервисов. Это существенно увеличит потребность в квантовых коммуникациях и шифровании, поскольку значительное количество передаваемых в облако данных должно быть защищено.
Квантовая криптография может применяться для защиты данных в коммуникационных сетях различного назначения, включая спутниковые каналы передачи данных. Большие перспективы откроет появление устройств квантовой криптографии на рынке для владельцев ЦОД, банков, телекоммуникационных компаний, интернет провайдеров. Для этих отраслей они будут особенно удобны, ведь новые ключи будут генерироваться в автоматическим режиме, что значительно повысит уровень защищенности данных от взлома.
Что уже разработано. Передавать информацию «квантовым» способом получается с помощью коммуникационных сетей, которыми уже располагают некоторые страны. Например, в Китае построена квантовая коммуникационная сеть Пекин-Шанхай протяженностью 2000 км, ее расширяют, прокладывая аналогичные линии между другими городами. Для передачи информации используют протоны, которые невозможно разделить, их квантовое состояние нельзя клонировать. Таким образом, нет никакой возможности прослушивать линию.
Проблема использования таких сетей в том, что фотоны могут поглощаться атмосферой или материалами, из которых изготовлены кабели, поэтому обычно они не перемещаются на расстояние более пары десятков километров, максимальная дальность передачи на эксплуатируемых телекоммуникационных сетях — около 100 км. На линии приходится строить узлы, где сигналы расшифровываются и снова зашифровываются перед отправкой дальше. К примеру, на линии Пекин-Шанхай таких узлов 32.
Поэтому ученые пытаются использовать для передачи данных квантовую запутанность — феномен, при котором две частицы настолько взаимосвязаны, что по одной можно понять состояние другой, вне зависимости от того, какое расстояние их разделяет.
В 2017 году китайский спутник «Мо-цзы» побил рекорд дальности квантовой запутанности, передав информацию на 1200 км, а в 2018 году во время эксперимента был передан квантовый ключ шифрования между обсерваториями в столицах КНР и Австрии. Технология квантовой запутанности пока относится к экспериментальным.
Над квантовыми коммуникационными сетями и системами передачи ключей работают не только в Китае, но и в Европе, и в России. В декабре 2017 года Сбербанк и РКЦ запустили квантовую сеть протяженностью 25 км. То, как она работает, можно было увидеть на Петербургском международном экономическом форуме, где провели видеоконференцию между руководителями Сбербанка, Газпромбанка и компании PwC Russia.
В сентябре 2019 года Казанский квантовый центр, «Ростелеком» и «Таттелеком» успешно провели эксперимент по распределению квантовых ключей на волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) протяженностью 143 километра. В этом эксперименте использовался криогенный однофотонный детектор российского производителя СКОНТЕЛ и система квантового распределения ключей университета ИТМО.
Квантовое шифрование можно применять для любых видов связи. Например, специалистами компании «ИнфоТеКС» и Центра квантовых технологий МГУ разработан телефон с квантовым шифрованием. Он шифрует голосовой трафик между собеседниками так, что получить к нему доступ невозможно.
Важно не забывать, что квантовая криптография имеет прямое отношение к защите информации, а потому должна проектироваться и проверяться на соответствие характеристикам, заявленным производителями. Проверку должны проводить регуляторы, имеющие квалификацию и соответствующие методики. Иначе может получиться так, как было с ранними системами ID Quantique, которые удалось взломать группе энтузиастов.
Квантовые сенсоры: миниатюрные и чувствительные датчики
Что это. Квантовые сенсоры — высокочувствительные приборы, основанные на регистрации индивидуальных квантовых эффектов, то есть квантовых эффектов, касающихся отдельных квантовых систем. Примерами таких сенсоров будут лавинный однофотонный детектор и квантовый датчик случайных чисел.
На практике давно используют коллективные квантовые эффекты, которые основаны на участии в них большого числа квантовых объектов: электронов, атомных ядер, нейтронов, фотонов и других. Именно на их основе работают транзисторы, диоды и микросхемы, так мы получаем действие, осязаемое на макроскопическом уровне, например, видим луч лазера или регистрируем ток в полупроводниках компьютера. Разработать приборы, которые улавливают изменения в отдельных квантовых системах на уровне микромира, намного сложнее.
Зачем нужны. Квантовые сенсоры невероятно миниатюрные и чувствительные. Большие перспективы ждут их в медицине и биологии: анализ генома, диагностика заболеваний, в том числе онкологических, исследование процессов, происходящих в теле человека, внутренних органов, тканей, клеток и молекул.
Кроме того, высокочувствительные датчики нового поколения будут применять и в других областях: навигация (космическая отрасль, беспилотный транспорт), оборона и безопасность, геологоразведочные работы, нефтедобыча и строительство, технологии интернета вещей.
Что уже разработано. Интересную разработку создали ученые США, Канады и Германии. Исследователи реализовали квантовый гравиметр, который поможет в поиске нефти и других полезных ископаемых. Устройства с ним смогут обнаружить пустоты под землей, что сделает работу в шахтах безопаснее.
Другим примером коммерциализации этих приборов служит счетчик фотонов, разработанный под руководством Григория Гольцмана, профессора Московского педагогического государственного университета (МПГУ) и сооснователя компании СКОНТЕЛ. Его использует РКЦ для своих разработок в сфере квантовой криптографии.
Особенность применяемой системы квантовой криптографии в том, что сигнал кодируется на одиночных фотонах, когда один бит записывается на один фотон. Детекторы очень чувствительны, они с высокой вероятностью показывают, когда фотон есть, и не показывают шум, когда фотона нет.
Квантовые сенсоры могут использоваться в системах квантовой криптографии для обеспечения случайности квантовых ключей. Например, квантовый генератор случайных чисел, который создали физики МГУ в 2017 году. Он работает с высокой производительностью и обеспечивает непредсказуемость ключей, гарантированную законами квантовой механики.