Знаменитый кот Шредингера, ставший символом квантовой физики, получил неожиданное продолжение в реальной науке. Ученые из Оксфордского университета представили новый тип суперпозиции, позволяющий формировать более сложные состояния, чем прежде. По мнению исследователей, эта разработка может помочь в создании более устойчивых квантовых компьютеров и развитии квантовых технологий. Почему открытие вызвало интерес научного сообщества и когда оно сможет найти практическое применение — в материале «Известий».
Что именно удалось сделать физикам из Оксфорда
Квантовая суперпозиция — одно из ключевых явлений квантовой физики. В ее основе лежит идея, что квантовый объект может находиться сразу в нескольких состояниях одновременно. Именно это лежит в основе мысленного эксперимента с «котом Шредингера», который до момента измерения считается одновременно и живым, и мертвым.
На этом же принципе работают квантовые вычисления: базовый элемент квантового компьютера — кубит — способен одновременно находиться в состояниях 0 и 1. Однако физики из Оксфордского университета смогли выйти за рамки стандартных схем и научились создавать гораздо более сложные квантовые суперпозиции.
Как объясняет руководитель научной группы «Коррелированные квантовые системы» Российского квантового центра Алексей Рубцов, в эксперименте используется ультрахолодный ион, удерживаемый в ловушке Пауля. Его квантовое поведение определяется двумя степенями свободы: внешним движением, которое можно описать как гармонический осциллятор, и внутренним состоянием, которое для простоты называют спином.
Справка «Известий»: Ионная ловушка Пауля — устройство, которое с помощью переменных электрических полей позволяет удерживать заряженные частицы практически неподвижными и изолировать их от внешних воздействий
— Сначала исследователи создают суперпозицию двух внутренних состояний иона. Затем для каждой компоненты этой суперпозиции независимо формируют различные квантовые состояния осциллятора. После этого обе ветви снова когерентно объединяются, — объясняет эксперт.
По сути, ученые научились управлять двумя уровнями квантовой системы одновременно и «разводить» их по разным квантовым траекториям, а затем снова соединять в единое состояние. Это позволяет конструировать значительно более сложные суперпозиции, чем в предыдущих экспериментах.
Директор дизайн-центра квантового проектирования НИТУ МИСИС Наталия Малеева, подчеркивает, что важность работы связана не только с конкретным результатом, но и с расширением возможностей управления квантовыми состояниями в целом.
— Теоретически мы можем использовать этот подход не только с двумя когерентными состояниями, направленными диаметрально друг к другу, но и с тремя, и четырьмя. Подобное возможно, но практически реализовать такое взаимодействие между несколькими волновыми пакетами трудно, — поясняет эксперт.
В связи с этим исследователи не просто получили новый вариант «кота Шредингера», а расширили набор квантовых состояний, доступных для реального эксперимента. Именно это и делает работу значимой для дальнейшего развития квантовых технологий.
Как это улучшит квантовые компьютеры
Квантовые компьютеры способны решать задачи, которые для современных суперкомпьютеров остаются слишком сложными или требуют огромных вычислительных ресурсов. В первую очередь речь идет о моделировании молекул и материалов, разработке новых лекарств, оптимизации сложных логистических систем и других вычислениях, где необходимо одновременно анализировать огромное количество вариантов.
Одно из главных препятствий на пути к созданию мощных квантовых компьютеров — ошибки. Квантовая информация очень хрупка: случайное воздействие окружающей среды может нарушить состояние кубита и привести к сбою вычислений. Поэтому ученые по всему миру ищут способы сделать квантовые системы более устойчивыми.
Как объясняет в беседе с «Известиями» к. ф-м. н., доцент НИЯУ МИФИ Евгений Поляков, существование квантовых состояний подтверждается с помощью интерференции — характерного узора, который возникает при наложении квантовых состояний друг на друга. Именно такие интерференционные картины и наблюдали исследователи из Оксфорда, доказывая, что созданные ими сложные суперпозиции действительно существуют.
На этом же принципе работают и квантовые вычисления. По словам эксперта, квантовый компьютер одновременно оперирует множеством вариантов решения задачи, а затем за счет интерференции правильные ответы усиливаются, а неправильные подавляются.
— Управляя формой таких «облаков», можно решать задачи, неподъемные для обычных компьютеров Однако эта особенность делает квантовые системы крайне уязвимыми. Любое внешнее воздействие может нарушить состояние кубита и привести к потере информации. Поэтому одной из главных задач разработчиков остается создание эффективных механизмов обнаружения и исправления ошибок, — отмечает Поляков.
По словам Полякова, оксфордская работа не предлагает готового решения этой проблемы, но создает для него новую основу. Если в традиционных «состояниях кота Шредингера» потеря даже небольшой порции энергии может необратимо исказить информацию, то новые состояния потенциально позволяют легче распознавать подобные сбои и в будущем исправлять их.
Алексей Рубцов поясняет, что возможности квантового компьютера во многом определяются тем, насколько сложные квантовые состояния ученые способны создавать и контролировать.
— Многие квантовые процессы всё еще можно моделировать на обычных компьютерах. Но по мере усложнения квантовых состояний появляются режимы вычислений, которые классическим машинам воспроизводить становится значительно труднее. Поэтому каждый новый класс состояний потенциально расширяет круг задач, доступных будущим квантовым компьютерами, — говорит эксперт.
Впрочем, до появления полноценных квантовых вычислителей еще далеко. Как отмечает Поляков, нынешнее исследование стоит рассматривать, скорее, как важный вклад в фундамент будущих технологий.
— Это важный шаг, но шаг в фундамент, а не финальная сборка. Уместное сравнение: придуман не сам двигатель, а новый сплав и способ его обработки, из которых двигатель потом можно сделать лучше и надежнее, — заключает эксперт.
Где используются квантовые технологии
Хотя до появления массовых квантовых компьютеров еще могут пройти годы, некоторые квантовые технологии уже работают сегодня. По словам доцента НИЯУ МИФИ Евгения Полякова, первыми от развития этой области выигрывают квантовые датчики.
— Данное направление не нужно ждать: атомные часы, сверхчувствительные магнитометры и гравиметры используются прямо сейчас — в навигации, геологоразведке, медицине, — отмечает эксперт.
Новые методы управления квантовыми состояниями, подобные тем, что продемонстрировали физики из Оксфорда, могут сделать такие приборы еще более точными. Кроме того, уже сегодня развивается квантовая связь — технология, позволяющая создавать каналы передачи данных, защищенные от незаметного перехвата.
Однако, по мнению Алексея Рубцова, одним из главных направлений их применения станет моделирование сложных квантовых систем.
— Обычно называют материаловедение, квантовую химию и разработку новых веществ. Речь идет о создании новых лекарств, аккумуляторов, катализаторов, топливных элементов и других материалов, свойства которых можно будет рассчитывать на компьютере еще до проведения дорогостоящих лабораторных экспериментов, — говорит ученый.
Сегодня такие задачи требуют огромных вычислительных ресурсов, а в некоторых случаях остаются недоступными даже для самых мощных суперкомпьютеров. Также Рубцов подчеркивает, что по мере развития технологии квантовые вычисления также могут найти применение в обработке информации, оптимизации и отдельных задачах поиска.
Поляков добавляет, что перспективными направлениями считаются логистика, управление цепочками поставок и финансовый сектор, где важно быстро анализировать большое количество возможных сценариев.
Насколько близко квантовое будущее
Сегодня Россия располагает практически всеми основными технологическими платформами, используемыми в мировой квантовой гонке — от ионных и атомных систем до фотонных и сверхпроводниковых решений.
Однако, как отмечает Алексей Рубцов, по ряду ключевых параметров — числу кубитов, времени их когерентности и точности операций — страна пока уступает мировым лидерам.
— По моей оценке, это отставание составляет порядка трех-пяти лет. развитие идет достаточно быстро, а разрыв не является принципиальным. Важно и то, что российские научные группы уже способны воспроизводить сложные экспериментальные схемы и работать на уровне современных международных исследований, — подчеркивает Рубцов.
Если смотреть шире, нынешний этап развития квантовых технологий можно сравнить с ранней эпохой классических компьютеров, когда первые вычислительные машины занимали целые лаборатории и были доступны лишь ограниченному кругу специалистов. Сейчас квантовые системы находятся примерно в таком же положении — сложные, дорогие и требующие изоляции от внешних воздействий.
В ближайшие десятилетия, как считают эксперты, наиболее вероятным сценарием станет развитие квантовых вычислений через специализированные центры доступа, а не появление персональных устройств. Пользователи будут решать задачи удаленно, а вычисления будут выполняться на мощных квантовых установках.
— Главная интрига заключается не только в масштабировании технологии, но и в том, какие именно задачи она в итоге окажется способна решать быстрее классических компьютеров. Именно это определит реальные границы квантовой революции, — считает Рубцов
Таким образом, квантовые технологии уже вышли на уровень работающих лабораторных систем, но их массовое применение — это перспектива, зависящая от дальнейших научных и инженерных прорывов.