Адрес e-mail:

Описание программы

Фундаментальные проблемы физики квантовых технологий – что это такое?


Самым знаменитым объектом, относящимся к квантовым технологиям, является, конечно, квантовый компьютер (KK) (хотя, благодаря президенту, и квантовая телепортация в 2016-м году подтянулась :) ). Создание КК позволит решать задачи недоступные обычному компьютеру в принципе. Самая известная задача такого рода – это факторизация больших чисел. Экспоненциальная сложность решения этой задачи лежит в основе распространенного протокола шифрования RSA. На квантовом компьютере, используя алгоритм Шора, такая задача решается за полиномиальное время. Таким образом, не только знаменитые русские хакеры, но и любой другой при наличии КК может запросто взломать самую распространенную систему шифрования (хотя сейчас эту возможность многие криптографы уже учли). Именно этот факт потряс научный и околокомпьютерный мир в 90-е годы и вызвал бурный интерес к теме квантовых компьютеров и всему, что с ней связано. Помимо десятка квантовых центров, открытых по всему миру, а именно: в Австрии, Финляндии, Швейцарии, Канаде и других странах; этой темой (в частности, разработкой новых алгоритмов и реализацией уже известных протоколов в реальных устройствах) активно занимаются и за пределами этих центров.


В чем фокус с алгоритмом Шора? Сам Шор, когда его спрашивали, какое свойство квантовой механики (КМ) позволяет это сделать, отвечал: "дуализм волна-частица" ("корпускулярно-волновой дуализм"). Другой ресурс, позволяющий делать вещи, невозможные в классике, это квантовая запутанность (иначе сцепленность). Запутанность позволяет, например, осуществить квантовую телепортацию, только не материальной частицы, а ее состояния. Поскольку элементарные частицы (по квантовой теории) в принципе все идентичны, то частицы в одинаковом состоянии это одно и то же, и мы, передав состояние, порождаем как бы такую же частицу (но все же без потока массы и энергии!).


Запутанность также позволяет реализовать один из протоколов шифрования, который уже был продемонстрирован на практике – осуществлялась передача квантово-защищенных данных в Швейцарии.


Таким образом, против квантового взлома появилась квантовая защита. Считается, что она абсолютна. Но так ли это? Интересно было бы выяснить… Все эти вопросы затрагивают фундаментальные проблемы – интерпретацию квантовой механики, взаимосвязь квантового мира и классического, и как в конечном счете КМ может описать наш повседневный мир. Их количественное и экспериментальное изучение стало возможно с появлением неравенств Белла (НБ). Нарушение этих неравенств свидетельствовало бы о справедливости квантовой теории. Не так давно в Делфте поставили впечатляющий эксперимент, показавший нарушение НБ на расстоянии в километр. Возможно, аналогичный эксперимент, но для корреляций по времени (неравенства Леггетта), будет поставлен и в рамках нашей программы обучения.


Фундаментальный вопрос, на который пока нет ответа – в чем причина квантовой вероятностности и как природа выбирает один из вариантов поведения. Академик и Нобелевский лауреат В.Л. Гинзбург считал это одной из трех великих проблем современной физики (см. Нобелевскую лекцию В.Л. Гинзбурга ""Физический минимум" – какие проблемы физики и астрофизики представляются особенно важными и интересными в начале XXI века?").


Многомировая интерпретация квантовой механики (см. видеоматериал с Александром Львовским на ПостНауке) дает один из вариантов ответа на данный вопрос – "никак не выбирает – все квантовые копии нашего мира существуют параллельно". Однако многие не согласны с таким подходом. Опять же интересно, что от ответов на подобные вопросы зависят весьма прагматичные вещи – например, идеален ли квантовый генератор случайных чисел (разработкой и изготовлением которого сейчас многие занимаются)?


Еще одной великой проблемой Гинзбург считал вопрос о стреле времени и Втором законе термодинамики. Замечательно, что с этой проблемой как раз произошли большие сдвиги. Недавно нашей группой была сформулирована квантовая Н-теорема, и было доказано, что в квантовом мире даже для энергетически изолированной системы закон роста энтропии – не закон, а всего лишь правило, из которого бывают исключения! Энтропия может убывать, и условия, при которых это происходит, можно описать как наличие в резервуаре демона Максвелла. Соответственно, многое стало понятно и по части стрелы времени. В квантовом мире эволюция может развиваться, так сказать, "вспять", но при совершенно особых условия. Во всех этих темах многое еще предстоит выяснить теоретически, и еще больше вопросов экспериментальных. В частности, остаются нерешенными важные теоретические вопросы, относящиеся к квантовой теории информации, касающиеся квантовых каналов. Одно из экспериментальных направлений по этой тематике – конструирование эффективных квантовых холодильников и двигателей ("вечного двигателя второго рода"). В таких конструкциях важна нелокальность – область, где будет нарушаться второй закон, будет пространственно отделена от локации демона (в объеме, заключающем в себя и систему и демона, второй закон выполняется).


Третьей великой проблемой Гинзбург считал "Вопрос о редукции живого к неживому", т.е. вопрос о возможности объяснить происхождение жизни и мышление на основе одной физики. Ну, буквально эта тема не совсем относится к нашей специализации, но квантовые процессы в живых организмах – это очень интересно. Например, как выясняется, глаз человека может воспринимать одиночные фотоны. Правда в мозг сигнал доходит, только если фотонов несколько. При наличии хорошего генератора фотонов по запросу (этим занимаются в Лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ) этот вопрос можно и нужно изучить подробнее.


Почти весь спектр описанных проблем и многие другие будут затронуты в нашей образовательной программе и в предложенных темах для дипломных работ (в том числе связанные с более "традиционными" квантовыми эффектами – размерное квантование, резонансное туннелирование, дискретность заряда, различные лазерные генерации и т.д.).


Более подробное введение можно найти в первой главе книги Нильсена М.А., Чанга И.Л. "Квантовые вычисления и квантовая информация".

Если вы заметили в тексте ошибку, выделите её и нажмите Ctrl+Enter.

МФТИ в социальных сетях

soc-vk soc-fb soc-tw soc-li soc-li soc-yt
Яндекс.Метрика