|
Основы загадочных сил Эйнштейна
|
|
|
|
Представьте, что вы светите фонариком в темную комнату. Вы можете точно предсказать, что произойдет со светом: он будет двигаться по прямой линии от одной точки к другой. Это кажется очевидным, потому что в окружающем нас мире свет, кажется, следует по одному, четко определенному пути.
|
|
|
|
Квантовая механика рисует гораздо более странную картину.
|
|
|
|
Если вы приблизитесь к атомному масштабу, свет не будет вести себя так, как будто он следует только по одному прямому пути. Вместо этого частица света исследует все доступные ей пути одновременно. Один путь действительно может быть прямой линией через комнату. Но другие могут включать в себя отражение света от стен, искривление в пространстве или совершенно невероятные обходные пути, прежде чем достичь своей цели.
|
|
|
|
В некотором смысле, природа поддерживает все эти возможности «живыми» одновременно. Один результат возникает только после того, как свет «наблюдается», или проводится измерение. Наблюдаемый вами путь — обычно прямая линия — это просто наиболее вероятный результат после взаимодействия всех возможных путей, что делает одни исходы более вероятными, а другие — менее вероятными.
|
|
|
|
Эта идея кажется почти невозможной с точки зрения повседневной жизни, однако она лежит в основе квантовой механики. Сегодня такие ученые, как я, учатся использовать эти странные квантовые эффекты для создания совершенно нового типа машины: квантового компьютера.
|
|
|
|
|
|
|
Суперпозиция
|
|
|
|
В повседневной жизни физика проста. Теннисный мяч либо лежит на столе, либо нет. Свет либо включен, либо выключен. Даже если вы находитесь в другой комнате и не знаете, что именно происходит, сам объект уже имеет определенное состояние.
|
|
|
|
Квантовая механика не следует этим обычным правилам. В рамках законов квантовой механики результаты не являются фиксированными, пока кто-то их не зафиксирует.
|
|
|
|
На очень малых масштабах частицы не имеют определенных состояний. Вместо того чтобы быть чем-то одним или другим, они существуют в состоянии, которое еще не определено. Это происходит не потому, что вам не хватает информации; это потому, что сама реальность еще не установилась. Электроны, фотоны и атомы могут находиться в суперпозиции: состоянии, в котором смешиваются несколько возможных состояний. Частица может находиться здесь, там или где-то посередине. Кот Шрёдингера — известный пример: кот в закрытом ящике, подключенный к квантовому устройству, одновременно жив и мертв, пока кто-нибудь не проверит.
|
|
|
|
Как бы странно это ни звучало, суперпозиция неоднократно подтверждалась в лабораторных экспериментах. Однако эти квантовые состояния чрезвычайно хрупки. Взаимодействие с внешним миром — например, тепло, вибрации, блуждающие электромагнитные поля или даже случайный контакт с окружающими частицами — может разрушить хрупкую суперпозицию, заставляя систему находиться в одном состоянии.
|
|
|
|
Физики называют этот процесс декогеренцией. Квантовая система ведет себя примерно как вращающаяся монета. Пока монета вращается в воздухе, с нашей точки зрения она не определяется орлом или решкой; оба исхода остаются возможными. В квантовой механике частицы могут существовать в подобной смеси, суперпозиции, где одновременно сосуществуют несколько возможных состояний.
|
|
|
|
Только после проведения измерения система «выбирает» определенный результат, подобно вращающейся монете, которая в итоге выпадает либо орлом, либо решкой.
|
|
|
|
Физики называют этот процесс коллапсом, но ученые до сих пор не разгадали фундаментальную загадку, лежащую в основе этого явления. Представьте себе потоковую передачу музыки. Данные остаются в исходном виде до тех пор, пока вы не запустите потоковый сервис, который может воспроизвести любую песню. Нажатие кнопки воспроизведения превращает этот потенциал в реальную песню. Измерение квантовых частиц производит аналогичный эффект, заставляя все возможные результаты схлопнуться в один, фактический результат.
|
|
|
|
Жутковатая дружба на расстоянии
|
|
|
|
Суперпозиция — не единственная странная особенность квантовой механики. Другая — это запутанность: явление, возникающее, когда две частицы взаимодействуют таким образом, что их свойства становятся глубоко взаимосвязанными, даже если они разделены большими расстояниями.
|
|
|
|
Когда две частицы взаимодействуют определенным образом, они могут стать запутанными. Это означает, что измерение одной частицы мгновенно дает вам информацию о другой, независимо от того, как далеко они находятся друг от друга. Эйнштейну не нравилась эта идея, и он назвал её «жутким действием на расстоянии». Он считал, что в квантовой теории чего-то не хватает. Но после многих экспериментов ученые показали, что квантовая запутанность реальна.
|
|
|
|
Хороший способ визуализировать это — представить себе двух танцоров. После долгих тренировок они могут синхронизировать движения друг друга на разных сценах, не разговаривая. Их идеальное чувство ритма обусловлено выученной ими вместе программой.
|
|
|
|
От странностей к новому типу компьютеров
|
|
|
|
Итак, что всё это значит для будущего компьютеров?
|
|
|
|
Обычный компьютер, такой как тот, что стоит у вас на столе, использует биты. Каждый бит либо равен нулю, либо единице, как выключатель света. Все ваши фотографии, видео и сообщения — это просто длинные цепочки таких выключателей. Но квантовый компьютер использует кубиты. Благодаря суперпозиции кубит может быть одновременно равен нулю, единице или их комбинации. Два кубита могут кодировать четыре возможности одновременно; 10 кубитов могут кодировать 1024; а 300 кубитов могут представлять больше состояний, чем атомов во Вселенной.
|
|
|
|
Квантовые компьютеры стремятся выполнять определенные вычисления намного быстрее, чем классические компьютеры, но современные системы по-прежнему сталкиваются с серьезными ограничениями в скорости, стабильности и вычислительной мощности.
|
|
|
|
Стандартный компьютер работает как бегун, который должен пройти каждый путь в лабиринте, последовательно проверяя каждый маршрут. Квантовые состояния развиваются таким образом, что полезные вычислительные пути усиливают друг друга, направляя систему к правильному результату.
|
|
|
|
Квантовые компьютеры непрактичны для электронной почты, электронных таблиц и потоковой передачи контента; существующие классические компьютеры достаточно хороши для этих задач. Истинный потенциал квантовых компьютеров заключается в решении задач, слишком сложных даже для самых мощных классических компьютеров в мире.
|
|
|
|
Эти задачи включают моделирование взаимодействия молекул для помощи ученым в разработке новых лекарств, открытие материалов, которые могли бы улучшить такие технологии, как солнечные батареи и аккумуляторы, а также развитие таких областей, как криптография.
|
|
Замки интернета и их ключи
|
|
|
|
Почти вся конфиденциальная информация, передаваемая онлайн — банковские реквизиты, медицинские записи, личные сообщения — защищена шифрованием Ривеста-Шамира-Адлемана (RSA), одним из наиболее широко используемых методов защиты цифровой связи. RSA основан на умножении двух больших простых чисел. Он безопасен, потому что, хотя их легко умножить, было бы очень сложно взять результат и, двигаясь в обратном направлении, определить, какие простые числа были использованы. Обычному компьютеру потребовались бы миллиарды лет, чтобы взломать надежный ключ RSA методом угадывания.
|
|
|
|
В 1994 году математик Питер Шор продемонстрировал, что достаточно мощный квантовый компьютер может решить эту проблему всего за несколько часов. Современные квантовые компьютеры пока недостаточно мощны, но быстрый прогресс означает, что мы можем увидеть это в ближайшие 10–20 лет.
|
|
|
|
В связи с этим прогрессом эксперты по безопасности предупреждают о подходе «собирать данные сейчас, расшифровывать позже». Хакеры уже собирают зашифрованные данные, надеясь, что будущие квантовые компьютеры позволят им их расшифровать. Например, медицинские записи 2026 года могут оказаться под угрозой в 2040 году.
|
|
|
|
Квантовая механика угрожает не только существующим системам безопасности, но и открывает новые формы защиты. Квантовое распределение ключей может использовать тонкие свойства квантовых состояний для обнаружения злоумышленников. Если кто-то попытается перехватить квантовое сообщение, это изменит систему и оставит явные признаки вмешательства.
|
|
|
|
Китайские исследователи продемонстрировали квантовое распределение ключей через спутники в 2017 году, и правительства по всему миру сейчас работают над сетями, защищенными от квантовых атак.
|
|
|
|
Но эти достижения также поднимают этические вопросы. Те же квантовые инструменты, которые помогают ученым понимать белки, могут быть использованы для слежки за частными сообщениями. Страны и компании, которые первыми создадут квантовые компьютеры, способные превзойти классические, получат значительную власть над другими.
|
|
|
|
Эти изменения могут стать столь же важными, как изобретение письменности или ядерных технологий. Сама технология не является ни хорошей, ни плохой — важно то, как люди её используют.
|
|
|
|
Где мы находимся на самом деле
|
|
|
|
В 2019 году Google заявила, что её процессор Sycamore выполнил определённое вычисление за 200 секунд. Команда подсчитала, что типичному суперкомпьютеру потребовалось бы 10 000 лет для выполнения той же задачи. Некоторые люди поставили под сомнение это утверждение, и вычисление оказалось не очень полезным, но всё же это был большой шаг вперёд — реальный пример «квантовой пользы».
|
|
|
|
Сейчас IBM, Google и IonQ, а также многие университеты работают над созданием более крупных и надёжных квантовых компьютеров. Главная проблема заключается в том, что кубиты чрезвычайно хрупки. Даже такие мельчайшие факторы, как вибрации, рассеянный свет или небольшие изменения температуры, могут нарушить их состояние. Большинство квантовых компьютеров необходимо охлаждать до температур, ещё более низких, чем в открытом космосе.
|
|
|
|
Квантовые компьютеры, вероятно, не заменят ваш настольный компьютер и не ускорят ваши повседневные компьютерные задачи. Но они являются частью технологической революции, которая может улучшить медицину, материаловедение и кибербезопасность. Вероятно, это влияние будет проявляться постепенно: в ближайшей перспективе квантовые компьютеры останутся специализированными исследовательскими инструментами, но в течение следующих одного-двух десятилетий они могут начать играть практическую роль в различных областях.
|
|
|
|
Источник
|
