Lukina kvantu dators. Krievija ir radījusi pasaulē jaudīgāko kvantu datoru. Ko mūsu lukins izdarīja? viņš apturēja gaismas staru

Runājot par izciliem krievu zinātniekiem, daudzi atceras pagātnes varoņus - Mendeļejevu, Pavlovu vai Landau, aizmirstot, ka starp mūsu laikabiedriem ir daudz izcilu pētnieku. Pēc dienas Krievu zinātne"Bēniņos" apkopoti jau 21. gadsimtā nozīmīgus atklājumus veikušie vārdi.

Fizika

Endrjū spēle. Foto: ITAR-TASS / Staņislavs Krasiļņikovs

Jaunajā tūkstošgadē Nobela prēmija fizikā trīs reizes devās pie krievvalodīgajiem zinātniekiem, tiesa, tikai 2010. gadā - par atklājumu, kas izdarīts 21. gadsimtā. MIPT absolventi Andreja spēle un Konstantīns Novoselovs Mančestras Universitātes laboratorijā viņiem pirmo reizi izdevies iegūt stabilu divdimensiju oglekļa kristālu – grafēnu. Tā ir ļoti plāna – viena atoma bieza – oglekļa plēve, kurai savas struktūras dēļ ir daudz interesantu īpašību: lieliska vadītspēja, caurspīdīgums, lokanība un ļoti augsta izturība. Grafēnam nemitīgi tiek atrastas jaunas un jaunas pielietojuma jomas, piemēram, mikroelektronikā: no tā tiek veidoti elastīgi displeji, elektrodi un saules baterijas.

Mihails Lūkins. Foto: ITAR-TASS / Deniss Višinskis

Vēl viens Maskavas Fizikas un tehnoloģiju institūta absolvents, tagad Hārvardas universitātes fizikas profesors Mihails Lūkins , izdarīja šķietami neiespējamo: viņš apturēja gaismu. Šim nolūkam zinātnieks izmantoja pārdzesētu rubīdija tvaiku un divus lāzerus: kontroles viens padarīja vidi vadošu gaismu, bet otrs kalpoja kā īsa gaismas impulsa avots. Kad kontroles lāzers tika izslēgts, gaismas impulsa daļiņas pārstāja atstāt barotni, it kā apstājoties tajā. Šis eksperiments bija īsts izrāviens kvantu datoru izveidē - pilnīgi jauna tipa mašīnām, kas vienlaikus spēj veikt milzīgu skaitu darbību. Zinātnieks turpināja pētījumus šajā jomā, un 2012. gadā viņa grupa Hārvardā izveidoja tobrīd visilgāko kubitu, mazāko elementu informācijas glabāšanai kvantu datorā. Un 2013. gadā Lūkins pirmo reizi saņēma fotonu vielu - sava veida vielu, kas sastāv nevis no atomiem, bet gan no gaismas daļiņām, fotoniem. To plānots izmantot arī kvantu skaitļošanai.

Jurijs Oganesjans (centrā) ar Georgiju Flerovu un Konstantīnu Petržaku. Foto no JINR elektroniskā arhīva

Krievu zinātnieki 21. gadsimtā ir ievērojami paplašinājuši periodisko tabulu. Piemēram, 2016. gada janvārī tam tika pievienoti elementi ar numuriem 113, 115, 117 un 118, no kuriem trīs pirmo reizi tika iegūti Apvienotajā kodolpētījumu institūtā (JINR) Dubnā Krievijas akadēmijas akadēmiķa vadībā. Zinātnes Jurijs Oganesjans . Viņam ir arī tas gods atklāt virkni citu supersmago elementu un to sintēzes reakcijas: par urānu smagāki elementi dabā neeksistē – tie ir pārāk nestabili, tāpēc tiek mākslīgi radīti akseleratoros. Turklāt Oganesjans eksperimentāli apstiprināja, ka supersmagajiem elementiem eksistē tā sauktā "stabilitātes sala". Visi šie elementi ļoti ātri sadalās, taču vispirms teorētiski un pēc tam eksperimentāli tika parādīts, ka starp tiem ir jābūt tādiem, kuru mūžs ievērojami pārsniedz tabulā norādīto kaimiņu mūžu.

Ķīmija

Artjoms Oganovs. Foto no personīgā arhīva

Ķīmiķis Artjoms Oganovs , ASV, Ķīnas un Krievijas laboratoriju vadītājs un tagad arī Skolkovas Zinātnes un tehnoloģiju institūta profesors, ir izveidojis algoritmu, kas ļauj datoram meklēt vielas ar iepriekš noteiktām īpašībām, pat neiespējami no skata punkta. klasiskajā ķīmijā. Oganova izstrādātā metode veidoja USPEX programmas pamatu (kas skan kā Krievu vārds"veiksmi"), ko plaši izmanto visā pasaulē ("Bēniņi" sīkāk). Ar tās palīdzību tika atklāti jauni magnēti un vielas, kas var pastāvēt ekstremāli apstākļi piemēram, zem augsta spiediena. Tiek pieņemts, ka šādi apstākļi var pastāvēt uz citām planētām, kas nozīmē, ka Oganova prognozētās vielas tur atrodas.

Valērijs Fokins. Biofarmaceitiskais klasteris "Severny"

Tomēr ir nepieciešams ne tikai simulēt vielas ar iepriekš noteiktām īpašībām, bet arī radīt tās praksē. Lai to izdarītu, 1997. gadā ķīmijā tika ieviesta jauna paradigma, tā sauktā klikšķu ķīmija. Vārds “klikšķis” atdarina aizbīdņa skaņu, jo tika ieviests jauns termins reakcijām, kurām jebkuros apstākļos jāapvieno mazas sastāvdaļas vēlamajā molekulā. Sākumā zinātnieki bija skeptiski par brīnumreakcijas esamību, bet 2002. g Valērijs Fokins , Ņižņijnovgorodas absolvents valsts universitāte Nosaukts Lobačevska vārdā, kurš tagad strādā Scripps institūtā Kalifornijā, atklāja šādu "molekulāro fiksatoru": tas sastāv no azīda un alkīna un darbojas vara klātbūtnē ūdenī ar askorbīnskābi. Ar šīs vienkāršās reakcijas palīdzību savā starpā var apvienot pilnīgi dažādus savienojumus: olbaltumvielas, krāsvielas, neorganiskās molekulas. Šāda vielu "klikšķa" sintēze ar iepriekš zināmām īpašībām pirmām kārtām nepieciešama jaunu zāļu radīšanai.

Bioloģija

Jevgeņijs Kuņins. Foto no zinātnieka personīgā arhīva

Taču, lai ārstētu kādu slimību, dažkārt ir nepieciešams ne tikai neitralizēt kādu vīrusu vai baktēriju, bet arī koriģēt savus gēnus. Nē, tas nav zinātniskās fantastikas filmas sižets: zinātnieki jau ir izstrādājuši vairākas "molekulāro šķēru" sistēmas, kas spēj rediģēt genomu (vairāk par pārsteidzošo tehnoloģiju Bēniņu rakstā). Visdaudzsološākā no tām ir CRISPR/Cas9 sistēma, kuras pamatā ir aizsardzības mehānisms pret vīrusiem, kas pastāv baktērijās un arhejās. Viens no galvenajiem šīs sistēmas pētniekiem ir mūsu bijušais tautietis Jevgeņijs Kuņins , kurš daudzus gadus strādājis ASV Nacionālajā biotehnoloģijas informācijas centrā. Papildus CRISPR sistēmām zinātnieku interesē daudzi ģenētikas, evolūcijas un skaitļošanas bioloģijas jautājumi, tāpēc ne velti viņa Hirša indekss (zinātnieka rakstu citēšanas indekss, kas atspoguļo viņa pētījumu pieprasījumu) ir pārspējis. 130 - tas ir absolūts rekords starp visiem krievvalodīgajiem zinātniekiem.

Vjačeslavs Epšteins. Foto no Ziemeļrietumu universitātes

Taču briesmas mūsdienās sagādā ne tikai genoma sabrukums, bet arī visizplatītākie mikrobi. Fakts ir tāds, ka pēdējo 30 gadu laikā nav radīts neviens jauns antibiotiku veids, un baktērijas pakāpeniski kļūst imūnas pret vecajām. Par laimi cilvēcei, 2015. gada janvārī zinātnieku grupa no ASV Ziemeļaustrumu universitātes paziņoja par pilnīgi jauna pretmikrobu līdzekļa izveidi. Lai to izdarītu, zinātnieki pievērsās augsnes baktēriju izpētei, kuras iepriekš tika uzskatīts par neiespējamu audzēt laboratorijā. Lai apietu šo barjeru, Ziemeļaustrumu universitātes darbinieks, Maskavas Valsts universitātes absolvents Vjačeslavs Epšteins Kopā ar kolēģi viņš izstrādāja īpašu mikroshēmu nepakļāvīgu baktēriju audzēšanai tieši okeāna dibenā – tādā viltīgā veidā zinātnieks apgāja Petri trauciņā augt negribējušo baktēriju palielinātās "kaprīzības" problēmu. Šis paņēmiens veidoja pamatu lielam pētījumam, kura rezultātā tika iegūta antibiotika teiksobaktīns, kas spēj tikt galā gan ar tuberkulozi, gan ar Staphylococcus aureus.

Matemātika

Grigorijs Perelmans. Foto: Džordžs M. Bergmans - Mathematisches Institut Oberwolfach (MFO)

Pat cilvēki, kas ir ļoti tālu no zinātnes, droši vien ir dzirdējuši par matemātiku no Sanktpēterburgas Grigorijs Perelmans . 2002.-2003. gadā viņš publicēja trīs dokumentus, kas pierāda Puankarē minējumus. Šī hipotēze pieder pie matemātikas nozares, ko sauc par topoloģiju, un izskaidro telpas vispārīgākās īpašības. 2006. gadā matemātikas aprindās pierādījums tika pieņemts, un Puankarē minējums kļuva par pirmo no tā sauktajām septiņām tūkstošgades problēmām, kas jāatrisina. Tie ietver klasiskās matemātiskās problēmas, kuru pierādījumi nav atrasti daudzus gadus. Par savu pierādījumu Perelmanam tika piešķirta Fīldsa balva, ko bieži dēvē par Nobela prēmiju matemātiķiem, kā arī Māla matemātikas institūta tūkstošgades balvu. Zinātnieks atteicās no visām balvām, kas piesaistīja sabiedrības uzmanību tālu no matemātikas.

Staņislavs Smirnovs. Foto: ITAR-TASS / Jurijs Beļinskis

Strādā Ženēvas Universitātē Staņislavs Smirnovs 2010. gadā viņš ieguva arī Fīldsas medaļu. Visprestižākā balva matemātikas pasaulē bija viņa pierādījums divdimensiju perkolācijas konformālajai nemainībai un Isinga modelim statistiskajā fizikā - šo lietu ar neizrunājamu nosaukumu teorētiķi izmanto, lai aprakstītu materiāla magnetizāciju un tiek izmantota. kvantu datoru izstrāde.

Andrejs Okunkovs. Foto: Radio Liberty

Perelmans un Smirnovs ir Ļeņingradas matemātikas skolas pārstāvji, bēdīgi slavenās 239. skolas un Sanktpēterburgas Valsts universitātes Matemātikas un mehānikas fakultātes absolventi. Bet starp matemātikas Nobela prēmijas nominantiem bija arī maskavieši, piemēram, Kolumbijas universitātes profesors, kurš ilgus gadus strādāja ASV, Maskavas Valsts universitātes absolvents. Andrejs Okounkovs . Viņš saņēma Fīldsa medaļu 2006. gadā, vienlaikus ar Perelmanu, par sasniegumiem, kas savieno varbūtības teoriju, attēlojuma teoriju un algebrisko ģeometriju. Praksē Okounkova dažādu gadu darbi ir atraduši pielietojumu gan statistiskajā fizikā kristālu virsmu aprakstīšanai, gan stīgu teorijā, fizikas jomā, kas mēģina apvienot kvantu mehānikas un relativitātes teorijas principus.

Stāsts

Petrs Turčins. Fotogrāfija: Tehnoloģiju universitāte Stīvenss

Jauna teorija matemātikas krustpunktā un humanitārās zinātnes ierosināts Petrs Turčins . Pārsteidzoši, ka Turčins pats nav ne matemātiķis, ne vēsturnieks: viņš ir biologs, kurš studējis Maskavas Valsts universitātē un tagad strādā Konektikutas Universitātē un pēta populācijas. Populācijas bioloģijas procesi attīstās ilgā laika posmā, un to aprakstīšanai un analīzei bieži vien ir nepieciešams veidot matemātiskie modeļi. Taču modelēšanu var izmantot arī, lai labāk izprastu sociālās un vēsturiskās parādības cilvēku sabiedrībā. Tieši to 2003. gadā izdarīja Turčins, jauno pieeju nosaucot par kliodinamiku (vēstures mūzas Klio vārdā). Izmantojot šo metodi, Turčins pats izveidoja "sekulārus" demogrāfiskos ciklus.

Valodniecība

Andrejs Zalizņaks. Foto: Mitrius/wikimedia

Ar katru gadu Novgorodā, kā arī dažās citās senkrievu pilsētās, piemēram, Maskavā, Pleskavā, Rjazaņā un pat Vologdā, tiek atrasti arvien jauni bērza mizas burti, kuru vecums datējams ar 11.-15.gs. Tajos var atrast personisku un oficiālu saraksti, bērnu vingrinājumus, zīmējumus, jokus un pat mīlestības vēstījumus vispār - "Bēniņi" par smieklīgākajiem senkrievu uzrakstiem. Dzīvā burtu valoda palīdz pētniekiem izprast Novgorodas dialektu, kā arī vienkāršo cilvēku dzīvi un Krievijas vēsturi. Slavenākais bērza mizas pētnieks, protams, ir Krievijas Zinātņu akadēmijas akadēmiķis Andrejs Zalizņaks : ne velti viņa ikgadējās lekcijas par jaunatrastajiem burtiem un veco atšifrēšanu ir pilnas zāli piepildītas.

Klimatoloģija

Vasilijs Titovs. Foto no noaa.gov

2004. gada 26. decembra rītā dienā, kad Indonēzijā notika traģiskais cunami, kas, pēc dažādām aplēsēm, prasīja 200-300 tūkstošu cilvēku dzīvības, NSU absolvents, kurš strādāja Cunami pētniecības centrā National Oceanic un Atmosfēras administrācija Sietlā (ASV) Vasilijs Titovs pamodos slavens. Un tas nav tikai runas skaitlis: uzzinājis par spēcīgāko zemestrīci, kas notika Indijas okeānā, zinātnieks pirms gulētiešanas nolēma datorā palaist cunami viļņu prognozēšanas programmu un ievietoja tās rezultātus tīklā. Viņa pareģojums izrādījās ļoti precīzs, taču diemžēl tas tika izteikts pārāk vēlu un tāpēc nevarēja novērst cilvēku upurus. Tagad Titova izstrādātā MOST cunami prognozēšanas programma tiek izmantota daudzās pasaules valstīs.

Astronomija

Konstantīns Batigins. Foto no caltech.edu

2016. gada janvārī pasauli šokēja vēl viena ziņa: mūsu dzimtajā Saules sistēma. Viens no atklājuma autoriem ir dzimis Krievijā Konstantīns Batigins no Kalifornijas universitātes. Izpētījis sešu kustību kosmosa ķermeņi, kas atrodas aiz Neptūna orbītas - pēdējā no šobrīd atzītajām planētām, zinātnieki, izmantojot aprēķinus, ir parādījuši, ka attālumā, kas ir septiņas reizes lielāks nekā attālums no Neptūna līdz Saulei, ap Sauli riņķo vēl vienai planētai. Tās izmērs, pēc zinātnieku domām, ir 10 reizes lielāks par Zemes diametru. Taču, lai beidzot pārliecinātos par tāla milža esamību, tas tomēr ir jāredz ar teleskopu.

Nesen Hārvardas fiziķa Mihaila Lūkina grupai izdevās radīt – patiesībā tādas vielas līdzību, kas nesastāv no atomiem, bet gan no gaismas kvantiem. Šim fundamentālajam atklājumam - agrāk fotonu vielas iespējamība tika apspriesta tikai teorētiski - ir tiešs praktiska izmantošana: pamatojoties uz mijiedarbojošiem fotoniem, iespējams izveidot skaitļošanas loģiku kvantu datoriem. Pagaidām tas ir tālās nākotnes jautājums, taču Lūkina grupa jau strādā pie komunikācijas ierīču izveides absolūti drošām sakaru sistēmām.

Mihails Lukins ir Hārvardas universitātes profesors un Krievijas Kvantu centra Starptautiskās konsultatīvās padomes nepilna laika vadītājs. Viņš ir viens no visvairāk citētajiem fiziķiem krievu izcelsme. Viņa grupa nodarbojas ne tikai ar fundamentālajiem pētījumiem fotonikā, bet arī ar tās tehnoloģiskajiem pielietojumiem. Un ne tikai kvantu komunikāciju vai kvantu skaitļošanas jomā, bet arī pielietojumā medicīnā: šovasar Lūkina grupa radīja dimantu, ar kuru var selektīvi un kontrolējami iznīcināt vēža šūnas. Lenta.ru runāja ar zinātnieku par to, kā jauns atklājums var tuvināt pilnvērtīgu kvantu datoru rašanos, vai tas ir viegli fundamentālā fizika pārvēršas par medicīnas jaunuzņēmumiem un to, ko viņš dara Skolkovo labā, strādājot Bostonā.

Lenta.ru: Jūsu pēdējais raksts runā par fotoniskās vielas radīšanu. Kas tas ir?

Ļaujiet man mēģināt paskaidrot vienkāršs piemērs. Iedomājieties divus lāzera starus, kurus jūs šķērsojat viens otram. Šo staru fotoni nekādā veidā nesadarbojas, tie iet viens otram cauri, viens otru nekādi neietekmējot, kā divi viļņi uz ezera virsmas. Tas ir saistīts ar faktu, ka atsevišķi gaismas kvanti, fotoni, būtībā ir daļiņas, kas savstarpēji nedarbojas. Taču, ja vienus un tos pašus lāzera starus šķērsosi nevis vakuumā, bet kaut kādā vidē, piemēram, stiklā, situācija mainīsies. Gaisma no dažādiem stariem mijiedarbosies: stari nedaudz novirzīs viens otru, vai arī ātrums vienā starā mainīsies atkarībā no otra intensitātes.

Kāpēc tas notiek? Fakts ir tāds, ka gaisma pati maina vidi, kurā tā izplatās. Parasti ļoti vāji, bet mainās. Izmainītā vide rīkojas savādāk elektromagnētiskā radiācija- un fotoni mijiedarbojas caur vidē.

Tas viss ir zināms jau labu laiku. Fizikas joma, kas nodarbojas ar šādu mijiedarbību, pastāv gandrīz pusgadsimtu, un to sauc par nelineāro optiku. Starp citu, padomju zinātnieki deva lielu ieguldījumu tajā. Taču līdz šim neviens nav spējis likt mijiedarboties nevis lāzera stariem, bet gan atsevišķiem gaismas kvantiem.

Principā teorētiski daudzi par to ir domājuši iepriekš. Apmēram pirms 20-30 gadiem bija teorētiskas prognozes par to, kāda veida gaismas izplatīšanās vide ir jāizveido, lai tajā esošie fotoni mijiedarbotos. Tika prognozēta šādu eksotisku objektu, fotonu pāru, - būtībā fotonu molekulu, pastāvēšanas iespēja. Šajā rakstā iekš Daba, par ko jūs runājat, mēs aprakstījām, kā mums beidzot izdevās iegūt šādus pārus. Faktiski tos sauc par fotonu matēriju - tāpēc, ka tie ļoti atgādina molekulas, bet nesastāv no atomiem, bet gan no fotoniem.

Te gan jāpiebilst, ka mijiedarbojošo fotonu izpēte ir interesanta ne tikai pati par sevi. Tam ir tiešs praktisks pielietojums informāciju tehnoloģijas, sakaros. Lieta ir tāda. No vienas puses, fakts, ka parasti fotoni nesadarbojas, ir viņu lielā priekšrocība kā informācijas nesējiem. Bet no otras puses, ja mēs gribam kaut kā apstrādāt informāciju, kas tiek pārraidīta ar gaismas palīdzību, tad ir jāizdara kaut kādi slēdži, kaut kādi loģiski elementi. Un šim nolūkam ir nepieciešams, lai fotoni kaut kādā veidā mijiedarbotos viens ar otru. Tagad gaisma galvenokārt tiek izmantota tikai informācijas pārraidīšanai, un, lai ar to manipulētu, tā ir jāpārvērš kaut kādā elektriskā signālā. Tas ir neērti, lēni un neefektīvi. Tātad, ja mēs varam panākt, ka fotoni mijiedarbojas viens ar otru, mēs varam izveidot pilnīgi fotoniskas ierīces, kas apstrādā informāciju.

Kā ir sakārtota vide, kurā eksistē fotonu matērija?

Mūsu uzstādījumā tas sastāv no atdzesētiem rubīdija atomiem, kas veido diezgan blīvu atomu gāzi. Gaisma šajā vidē pārvietojas ļoti lēni. Tas ir, salīdzinot ar vakuumu, gaismas ātrums krītas jebkurā vidē, tas ir saprotams, taču šajā gadījumā fotoni gandrīz apstājas - to ātrums ir aptuveni simts metri sekundē. Šādas “gaismas apturēšanas” metodi publicējām tālajā 2001. gadā (par šo darbu Lenta.ru).

Attēli: Ofer Firstenberg et al., Nature, 2013

Izplatoties šādā vidē, fotoni it kā velk sev līdzi atomu ierosmes vilcienu. Sakarā ar to patiesībā gaisma palēninās. Bet pats interesantākais ir tas, ka atomi šajā vidē sāk mijiedarboties savā starpā tik spēcīgi, ka šīs mijiedarbības tiek pārnestas uz fotoniem, un tie, fotoni, šķiet, sāk piesaistīt viens otru. Rezultātā fotoni, pirmkārt, iegūst efektīvu masu un, otrkārt, savstarpējas pievilkšanās dēļ veido saistītu stāvokli, kas atgādina molekulu. Likumi, kas raksturo fotonu uzvedību šādā vidē, ir ļoti līdzīgi likumiem, kas apraksta daļiņu uzvedību ar masu, masīviem atomiem.

Fotoniskā molekula, ko mums izdevies iegūt, ir tikai sākums, jo principā no tām var izveidot sarežģītākus objektus. Pirmkārt, tagad mūs interesē kristāla struktūru analogi, fotoniskie kristāli.

Vai jūs domājat fotonu vielu, kas satur nevis divus fotonus, bet vairāk?

Ne tikai vairāk, bet ar regulāriem intervāliem. Lai sasniegtu šo stāvokli, fotoniem ir jāatgrūž, nevis jāpievelk. Principā mēs zinām, kā to panākt, un es domāju, ka tuvākajā nākotnē noteikti varēs izgatavot mazus kristālus.

Jūsu saņemtie fotonu pāri, cik es saprotu, ir diezgan stabili. Tas ir, tos, tāpat kā jebkurus fotonus, nevar apturēt, tiem ir jāpārvietojas vidē, bet tie pastāv pa pāriem salīdzinoši ilgu laiku, nesabrūk, nepārvēršas, teiksim, par vienu palielinātas enerģijas fotonu. Šajā gadījumā, kā jūs teicāt, vidē starp tām ir tikai pievilkšanas spēks, bez atgrūšanas. Kāpēc tas notiek?

Lieta tāda, ka šī ir kvantu sistēma. Padomājiet par Bora atomu modeli, kas šogad svin savu simtgadi. Patiešām, parastajā atomā ir arī pozitīvi lādēts kodols, ir elektrons, un starp tiem nav atgrūšanas spēku, ir tikai pievilkšanās. Tomēr elektrons nekrīt uz kodolu, kā mēs zinām.

Tas notiek enerģijas kvantēšanas dēļ, kas ļauj elektronam pārvietoties pa kodolu, it kā nesabrūkot. Tieši tas pats stāsts notiek ar mūsu fotoniem. Principā starp tām ir tikai pievilcīgs spēks, bet, pateicoties tam, ka šī ir kvantu sistēma, tā nesabrūk, tā atrodas stabilā stāvoklī. Situācija ir ļoti līdzīga tai, kas notiek molekulās ar diviem atomiem. Tas ir, šo daļiņu pāru nosaukums "fotonu matērija" ir diezgan pamatots - līdzība šeit ir diezgan dziļa.

Tajā pašā numurā Daba, kur parādījās tavs raksts, tika publicēts Fukuhara darbs, kur līdzīgs sapārošanas efekts tika demonstrēts nevis uz fotoniem, bet uz magnoniem - virtuālām magnētiskām daļiņām.

Jā, Emanuela Bloha grupa no Maksa Planka institūta to izdarīja. Tā patiešām ir ļoti neparasta sakritība, jo sistēmas, pie kurām strādājam, ir pilnīgi atšķirīgas, bet efekti, ko novērojam, ir ļoti līdzīgi.

Bloha grupa strādāja ar atomiem, kas fiksēti optiskajā slazdā. Šī ir diezgan labi zināma sistēma, kas, izmantojot vairākus lāzerus, ļauj izveidot optisko režģi, kurā atomi atrodas potenciālās akās, nosacīti runājot, kā olas kastē. Sākotnējā stāvoklī visiem šiem atomiem ir viens spins, tas ir, to magnētiskā polarizācija ir vērsta vienā virzienā. Pakļaujot šo vidi gaismai, Blokam un viņa kolēģiem izdevās panākt, ka atomu pāris mainīja savu griešanos, un tad šī inversija sāka izplatīties pa režģi viļņā.

Šajā gadījumā parādījās arī saistītu daļiņu pāris, tikai viņu gadījumā magnoni, nevis fotoni. Fakts, ka magnoni var pastāvēt piesaistītā stāvoklī, principā bija zināms jau iepriekš. Bet pirmo reizi Bloha grupai izdevās izsekot šo saistīto daļiņu izplatībai vidē. Šāda saistītā daļiņu stāvokļa viļņu funkcija ir ļoti līdzīga tai, ko mēs redzējām fotoniem. Izrādās, ka tas ir tāds diezgan universāls efekts.

Mēs ar Emanuelu nesen tikāmies konferencē. Brokastīs, kad parādīju savus datus, izveidojās diezgan jocīga situācija: mūsu dati izrādījās tik līdzīgi pilnīgi atšķirīgos fizikālajos procesos, ka atlika tikai pateikt “wow”.

Jā, bet magnonu pāri, atšķirībā no fotoniskās vielas, ir daudz mazāk ērti lietošanai sakaros. Pastāstiet mums, lūdzu, ko praktiski var izdarīt ar fotonu vielu?

Mūsu darba lietišķais mērķis ir fotoniskās loģikas radīšana. Sistēmās, kur atsevišķi fotoni var mijiedarboties viens ar otru, mēs varam izveidot, piemēram, viena fotona slēdžus vai viena fotona tranzistorus. Viens no specifiskajiem uzdevumiem ir tuvoties kvantu atkārtotāja izveidei - ierīcei, kas ļauj pārraidīt kvantu informāciju, neiznīcinot tās kvantu dabu.

Kas ir kvantu atkārtotājs? Protams, jūs zināt, kādā veidā informācija tiek pārraidīta, izmantojot atsevišķus fotonus, kas atrodas divu stāvokļu superpozīcijā. Teorētiski atslēgas pārraide, izmantojot vienu fotonu, ir absolūti uzticama šifrēšanas tehnoloģija, jo jebkurš uzbrucēja mēģinājums iejaukties sistēmā un pārtvert ziņojumu būs pamanāms. Patiesībā šī kvantu kriptogrāfija ir interesanta. Taču zudumi ir jebkuros kanālos, tāpēc pašreizējā kvantu komunikācija ir ierobežota līdz attālumam, kurā lielākā daļa fotonu netiek zaudēti – tie ir desmitiem, augstākais simtiem kilometru.

Principā zudumu problēma pastāv arī klasiskajos sakaros, taču tur to risina ar parasto retranslatoru palīdzību, kas uztver signālu, nedaudz “attīra”, atkārto pastiprinātā veidā un sūta tālāk pa optisko tīklu. Kvantu komunikācijai ir nepieciešami šādu ierīču analogi. Bet problēma ir tāda, ka, nosūtot informāciju, kas kodēta vienā fotonā, jūs to nevarat "pastiprināt" ( tipisks piemērs ir fotona noteikšana ar nezināmu polarizāciju - ja mērījumu bāze nesakrīt ar fotonu polarizācijas bāzi, informācija vienkārši pazudīs - apm. "Tapes.ru").

Kvantu atkārtotājam jāspēj veikt divas pamata lietas. Pirmkārt, tai jāspēj saglabāt kvantu informāciju, kas tiek pārraidīta ar fotoniem. Lai to panāktu, mēs faktiski strādājām pie tā sauktā "gaismas apturēšanas". Tā patiesībā bija mūsu darba praktiskā motivācija – mēģinājām apturēt impulsu, ierakstot tā informāciju atomu ierosmē.

Otrkārt, lai izgatavotu šo atkārtotāju, jums jāiemācās izveidot loģiskos slēdžus fotoniem, fotonu loģiku. Un tie eksperimenti, kas tagad ir publicēti, tie ir tieši saistīti ar šādas loģikas radīšanu kvantu atkārtotājiem.

Vai fotonu pāri šajā datorā ir kubiti?

Nē, atsevišķi fotoni ir kubiti. Un loģika tiks veidota, pamatojoties uz to savienojumu un sadalīšanu fotoniskās molekulās. Tā kā mēs varam savienot fotonus, mēs iedomājamies, kā izveidot slēdzi, kurā, piemēram, viena fotona klātbūtne var apturēt cita fotona izplatīšanos. Uz to jau ir iespējams veidot skaitļošanas loģiku.

Protams, šeit ir daudz jāstrādā. Lai izveidotu slēdzi, mums vairākas reizes jāuzlabo mijiedarbība starp fotoniem. Bet mēs jau esam parādījuši pamatprincipu, un tas darbojas. Tagad jūs varat domāt praktiskāk. Faktiski neatkarīgā eksperimentā mēs jau esam ievērojami uzlabojuši pat mijiedarbības (veiktspējas) kvalitāti, kas tika iegūta publicētajos eksperimentos.

Mēs ceram, ka fotoniskās vielas izmantošana neaprobežosies tikai ar kvantu atkārtotājiem. Nākotnē, pamatojoties uz tiem, būs iespējams izveidot pilnvērtīgus kvantu datorus, kas veic aprēķinus. Tas joprojām ir ļoti tāls horizonts, jo šim nolūkam ir jāizveido simtiem, varbūt pat tūkstošiem kubitu. Un kvantu atkārtotājs ir mūsu pašreizējais, diezgan taustāmais, praktiskais mērķis.

Jums ir darīšana ne tikai ar fotonisku vielu. Augustā mēs runājam par to, kā jūsu grupa nāca klajā ar negaidītiem slāpekļa atbrīvotajiem dimantiem. Parasti tos izmanto kā kubitus, bet jūs no tiem izgatavojāt termometrus pat nevis no šūnām, bet gan no atsevišķām to daļām. No kurienes tāda ideja?

Tagad viņi kā kubitu nesēji izmanto visvairāk dažādas sistēmas. Tie var būt, piemēram, atdzesēti supravadoši dobumi, atsevišķi joni vai atdzesēti atomi optiskajā slazdā. Vai arī šī darba gadījumā elektroni tā sauktajos NV centros. Fiziski NV centrs ir tikai caurums dimanta kristāliskajā režģī, kas pastāv blakus piemaisījumam – slāpekļa atomam. Šie piemaisījumi pastāv arī parastajos dimantos, taču mēs varam tos izveidot arī mākslīgi, apstarojot, piemēram, ar slāpekļa atomiem. Turklāt šos centrus var izgatavot no ļoti mazām daļiņām, dimanta nanokristāliem.

NV centra elektroni, ja tas atrodas tuvu virsmai, ir ļoti jutīgi pret ārējā vide, līdz tās temperatūrai un magnētiskais lauks. Aptuveni runājot, to kvantu evolūcijas ātrums ir atkarīgs no šiem parametriem. No vienas puses, tā ir kvantu datoru problēma - sistēmas stāvoklis kļūst trausls, kļūst grūti to saglabāt šādā kubītā. Bet, no otras puses, šādus NV centrus var izmantot kā ārkārtīgi jutīgus sensorus.

To unikalitāte ir tāda, ka tie var būt ļoti mazi, tas ir, mēs varam izmērīt laukus un temperatūru ļoti mazos apjomos. Protams, mēs mēģinājām izmantot šādus nanokristālus lietojumiem, kur mikroskopiskais izmērs ir priekšrocība. Piemēram, kompleksu biomolekulu spektroskopijai plkst telpas temperatūra vai lai izmērītu atsevišķu šūnas daļu temperatūru. Šajā rakstā mēs pētījām iespējas izmantot dimanta NV centrus tieši kā mikroskopiskus termometrus.

Šādi nanokristāli ir ne tikai pilnīgi jauns instruments biologiem. Tas, iespējams, ir arī vēža šūnu kontrolētas iznīcināšanas metode. Un šajā ziņā piemērs tam, cik pilnībā fundamentālie pētījumi, šāda "zilo debesu izpēte" var novest pie reālu lietojumu izstrādes. Jau ir pāris jaunuzņēmumu, kas mēģina komercializēt šo tehniku.

Vai tie ir jūsu jaunuzņēmumi?

Viens no viņiem radīja manu bijušo postdoc, otrs - manējo bijušais students. Tajos esmu iesaistījies tikai kā ārštata padomnieks. Es domāju, ka es mazliet zinu par to, kas tur notiek. Ir ļoti interesanti redzēt, kā pētījumi pārvēršas reālos lietojumos.

Jūs vadāt Krievu kvantu centra zinātnisko konsultatīvo padomi Skolkovā, bet pats nestrādājat Krievijā. Lai gan daudzi jūsu kolēģi jau ir pārcēlušies uz šejieni. Kā tas notika?

Kad faktiski tika veidota Skolkovo, viņi man mēģināja piedāvāt Maskavā izveidot lielu laboratoriju. Bet es vispār neesmu lielu impēriju veidošanas piekritējs, man liekas, ka tad, kad ir milzīgas grupas, kurās strādā simtiem cilvēku, tad vadītājs vairs īsti nevar nodarboties ar zinātni, viņam vispirms ir jābūt menedžerim. Un manā atmiņā tas nekad nebeidzās ar kaut ko labu.

Mana nostāja bija tāda, ka, ja Maskavā ir aktīvs centrs, kurā strādā labi zinātnieki, ar savām idejām, savām grupām, tad es labprāt ar viņiem sadarbošos un sadarbošos. Es negribēju Maskavā izveidot savu laboratoriju. Bet es teicu, ka varētu palīdzēt izveidot RCC, un jo īpaši es apsolīju palīdzēt atrast labi cilvēki kas varētu izveidot laboratorijas. Nu un ieteikt, kā to iespējams organizēt.

Nepilnu divu gadu laikā radītais, šovasar redzētais jau ir iespaidīgs. Ir vairākas teorētiskas un eksperimentālas grupas, kas jau sāk veikt nopietnus eksperimentus. Ar Alekseja Akimova grupu vasarā publicējām kopīgu rakstu Zinātne.

Mēs ar viņu runājām par šo publikāciju. Tagad viņš strādā Skolkovā, bet šī instalācija, uz kuras faktiski tika izgatavots raksts, tika samontēta Amerikā.

Tā ir patiesība. Tomēr tādas jau ir zinātniskā dzīve, ir jau diezgan interesanti darbiņi. Es domāju Akimova, Kalačevska, Ļvovska, Želtikova un Ustinova grupas (par pēdējo tapšanu laboratorijā rakstīja Lenta.ru).

Esmu pavadījis diezgan daudz laika un pūļu, palīdzot tam visam darboties pareizi. Tagad galvenais jautājums, kas mani satrauc, ir jautājums par to, kāda ir kvantu centra un līdzīgu projektu nākotne kopumā. Šis jautājums ir svarīgs, jo...

Jo cilvēki vēlas plānot savu dzīvi...

Ne tikai. Fakts ir tāds, ka viens kvantu centrs neatrisinās visas problēmas. Jābūt vismaz kādai šādu institūtu vai centru grupai. Viņiem ir jābūt vismaz kaut kādai ilgtermiņa perspektīvai – tikai tā var izveidot reālu zinātnisku vidi.

Man personīgi pārsteidzošākais šajā stāstā ir tas, ka daudzi no pasaules vadošajiem zinātniekiem piekrita palīdzēt izveidot šo centru. Un viņi palīdzēja, un palīdzēja pilnīgi bez maksas. Krievijas realitātei šis, cik saprotu, ir unikāls gadījums. Varbūt tāpēc izrādījās, ka tas ir izdarījis kaut ko labu.

Mihails Lūkins (dz. 1971) ir viens no titulētākajiem mūsdienu zinātniekiem. Amerikāņu un krievu fiziķis, Amerikas Zinātņu akadēmijas loceklis, Hārvardas universitātes profesors, MIPT absolvents, viens no Krievijas Kvantu centra dibinātājiem. Mihails Lukins Bostonā tikās ar žurnāla For Science redaktoriem un runāja par Hārvardas izglītību, Landavšicu, dimanta kubitiem, eksperimentiem, teoriju un pat par fizikas un tehnoloģiju kopmītņu renovāciju gadā. studentu gadi. Ksenijas Cvetkovas publikācija žurnālā "Zinātnei", 2018. Nr. 3.

Hārvardā es pasniedzu vienu kursu semestrī. Būtībā tie ir speciālie kursi maģistrantiem, tagad – elektrodinamika. Šeit ir vairāki līmeņi: ievads - Pērsela grāmatas līmenī, bet es mācu progresīvāk - kaut kas pa vidu starp Sivuhinu un Landavšitu. Landavshits te ir zināms, bet īsti nelietots. Manuprāt, tas ir laba grāmata bet nedaudz novecojis. Piemēram, visos mūsdienu kursos jau no paša sākuma tiek izmantots bra un ket vektoru formālisms, lai aprakstītu kvantu stāvokļus. Landavšica pirmajā kvantu sējumā tas nav minēts. Lai iegūtu bakalaura grādu fizikā, jums jāapgūst tikai daži kursi: mehānika, elektrība, termodinamika un viļņi. Tomēr ir daudz augsta līmeņa kursu. Tie, kas mācās aspirantūrā, bakalaura gados apgūst aspirantūras kursus. Griestu nav, ja ir interese.

Hārvardā priekšmetu skaits ir daudz mazāks nekā Phystech pirmajā studiju gadā – to, iespējams, bija desmit. Hārvardā ir četri semestrī, taču tie ir intensīvāki un bieži vien ietver laboratorijas projektus. Viņi saka, ka Phystech ir veidots pēc MIT, bet es par to neesmu pārliecināts. Kalifornijas tehnoloģiskais institūts(Caltech) ir vairāk kā Phystech. Viņi visi sākumā apgūst vienus un tos pašus kursus. 1998. gadā nebija iespējams pat sapņot kļūt par profesoru Hārvardā. Šeit ir dažas diezgan neparastas pēcdoktorantūras stipendijas - pilnīga brīvība, dari, ko gribi. Jums nav savas grupas, bet jūs varat izvēlēties, ar kuru grupu strādāt, vai arī varat strādāt pats. Nav viegli iegūt stipendiju, taču, ja izdodas, apsveriet iespēju kļūt par ārštata mākslinieku. Es saņēmu vienu no tiem.

Trīs gadus kā pēcdoktors mēs sākām attīstīties interesantas idejas, jo īpaši, nāca klajā ar eksperimentu, lai apturētu gaismu. Šis process ļauj saskaņoti ierakstīt informāciju par fotona impulsu atomā un pēc tam to nolasīt. Mēs ne tikai izstrādājām teoriju, bet arī uz tās pamata veicām eksperimentu, kas kļuva plaši pazīstams. Pēc trīs gadu termiņa beigām 2001. gadā man piedāvāja docenta amatu. Mana grupa ik pēc dažiem gadiem sāk attīstīt jaunu virzienu. Šī iemesla dēļ mūsu laboratorija ir diezgan neparasta, jo mēs nestrādājam vienā jomā. Zinātniekam ir ļoti svarīgi laiku pa laikam mainīt virzienu. Tas atbalsta zinātnisko jaunību, liek domāt, pētīt jaunas lietas.

30 mani absolventi jau ir kļuvuši par profesoriem, lai gan parasti neliela daļa maģistrantu paliek zinātnē, pārsvarā dodas strādāt lielos uzņēmumos. Kopumā uzskatu, ka zinātnieka aiziešana no uzņēmuma arī padara pasauli labāku. 2004. gadā mēs sākām izmantot dimanta piemaisījumus kā kubitus. Tad man bija inteliģents, strādīgs absolvents, kurš nodarbojās ar teoriju. Mēs sākām domāt par to, kā izveidot cietvielu kvantu datorus vai kvantu tīklus. Kādā brīdī viņa pienāca pie manis un teica: "Mūsu teorētiskos rakstus neviens nelasīs, vajag veikt eksperimentu." Tad es tikko sāku, mums bija tikai viena maza laboratorijas telpa, un mans kolēģis mums aizdeva vietu - stūrīti savā laboratorijā trīs reiz trīs metri. Kā vēlāk izrādījās, tas bija vēsturisks, laimīgs nostūris, jo tajā tika izdarīti daudzi svarīgi atklājumi. Mēs tur izveidojām divus nelielus eksperimentus. Piecu gadu laikā žurnālā Zinātne un daba bija astoņi raksti – tā sākās dimanta kubītu darbība.

Tur ir leģendārs stāsts. Vienā no Maskavas institūtiem tika atrasts dimanta paraugs ar unikālām īpašībām eksperimentiem: tas bija ļoti tīrs. Tas tika sadalīts četrās daļās: divi devās pie mums, divi uz Štutgarti, kur strādāja cita grupa. Ilgu laiku visi eksperimenti tika veikti ar šo dimantu. Tagad, protams, jau ir iespējams audzēt mākslīgos dimantus, kas pēc tīrības ir pārāki par krievu burvju dimantu - burvju krievu dimantu. Kvantu dators ir ļoti interesants, atvērta tēma, visi par to domā, uzņēmumi iegulda. Ir divi ļoti interesanti punkti, par kuriem cilvēki aizmirst. Mēs vēl nezinām, vai mēs varam izveidot īstu lielu kvantu datoru ar miljonu kubitu. Turklāt, pat ja mēs to uzbūvējam, neviens vēl precīzi nezina, kam tas var būt noderīgs. Bet mēs jau sākam veidot pietiekami lielas, sakarīgas un programmējamas sistēmas - jau tagad ir skaidrs, ka tās ļaus mums unikālā veidā pētīt sarežģītu sistēmu dinamiku. Esmu pārliecināts, ka nākamajos gados mēs atradīsim daudz jaunu pielietojumu.

Mani vecāki ir zinātnieki. Tētis strādā Phystech, bet mamma ir matemātiķe. Mans tēvs pabeidza Fiztekh, mans brālis absolvēja Fiztekh. Tajā pašā laikā mani vecāki uzskatīja, ka dzīvē var visu, bet vispirms vajag saņemties laba izglītība. Pēc viņu definīcijas laba izglītība ir vai nu fizika, vai ārkārtējos gadījumos matemātika. Bērnībā es gribēju nodarboties ar kino. Es gāju uz bērnu filmu studijām, kaut ko filmēju, pat saņēmu dažas balvas. Ilgu laiku es tīšām fiziku nemācījos, pat aktīvi cīnījos ar vecākiem, bet kādā brīdī sāku domāt, ko darīt tālāk. Kino bija nepieciešams iekļūt VGIK, un tas šķita gandrīz neiespējami. Kādā vājuma brīdī vecāki mani pierunāja mēģināt risināt problēmas, un man tas ļoti patika. AT Pagājušais gads skolā, es mācījos pie Viktora Ivanoviča Čiviļeva no Vispārējās fizikas katedras. Viņš ir vienkārši brīnišķīgs cilvēks un skolotājs. Tagad viņš trenē olimpiādes komandas, māca ļoti interesanti, intuitīvi. Viktors Ivanovičs manī ieaudzināja interesi par problēmu risināšanu, un pēdējā skolas gadā es gatavojos iestājeksāmeniem. Kad stājos Fizikas un tehnoloģijas institūtā, man patika risināt problēmas, bet tomēr nebiju pārliecināts: zinātne ir mana vai nē? Visi, kas vēlējās nodarboties ar zinātni, devās uz FOPF. Tāpēc es nolēmu, ka kvanti ir kaut kas vairāk pielietots. Tāpēc es nokļuvu FFKE.

Bija interesants stāsts: pēc otrā gada mēs vasarā remontējām hosteli "deuce". Stāsta, ka to cēluši vācu karagūstekņi 40. gadu beigās - 50. gadu sākumā, kopš tā laika tas lēnām brūk, mēģināja savest kārtībā, bet nekas labs nesanāca. Kopā ar Fjodoru Zolotarevu un Sašu Parbukovu to uzņēmāmies un salabojām par valsts likmēm, bet tajā pašā laikā izmantojot ienākošos puišus. Pēc tam viens no remonta "pamudinātājiem" Fjodors Zolotarevs izveidoja savu būvniecības uzņēmumu. Viņi saka, ka vēlāk viņa labā strādāja daudzi labi pazīstami fiziķi. Ko vēlas fiziķi? Attīstieties, atrodiet sevi, nesekojiet pūlim. Vienmēr meklējiet jaunus risinājumus un nebaidieties no sarežģītiem uzdevumiem. Tad viss būs labi.

Krievu un amerikāņu zinātnieki no Hārvardas universitātes, strādājot Mihaila Lūkina grupā, ir izveidojuši 51 kubitu kvantu datoru, kas ir visjaudīgākais mūsdienu pasaulē. To savā ziņojumā Starptautiskajā kvantu tehnoloģiju konferencē (ICQT-2017), kas jūlijā notika Maskavā RCC paspārnē, norādīja Krievijas Kvantu centra (RCC) līdzdibinātājs, profesors Lūkins.

Atšķirībā no klasiskajiem digitālajiem datoriem, kuru atmiņa ir veidota pēc binārā koda principa (0 vai 1, “jā” vai “nē”), kvantu datori ir veidoti, pamatojoties uz kubitiem - kvantu bitiem. Tie pieļauj arī divus stāvokļus (0 un 1), taču kvantu īpašību dēļ kubits papildus pieļauj superpozīcijas stāvokļus, tas ir, nosacīti runājot, daudz starpstāvokļu starp diviem galvenajiem stāvokļiem, ko raksturo kompleksie (imaginārie) skaitļi. Ir skaidrs, ka šādos apstākļos kvantu datora jauda un ātrums ir par vairākām kārtām lielāki.

Pati ideja izmantot kvantu skaitļošanu, lai atrisinātu tikai matemātikas uzdevumi 1980. gadā ierosināja Jurijs Maņins no Steklova institūta, un gadu vēlāk kvantu datora uzbūves principu formulēja Ričards Feinmens. Taču pagāja gadu desmiti, līdz parādījās tehnoloģijas, kas varēja īstenot viņu idejas.

Galvenā problēma bija izveidot stabilus darba kubitus. Lūkina grupa tiem izmantoja nevis supravadītājus, bet tā sauktos aukstos atomus, kas tiek turēti lāzera slazdos īpaši zemā temperatūrā. Tas ļāva fiziķiem izveidot pasaulē lielāko 51 kubitu kvantu datoru un pārspēt savus kolēģus, Merilendas Universitātes Kristofera Monro grupu (5 kubitu ierīce) un Džona Martinisa grupu Google (22 kubitu ierīce).

Tēlaini izsakoties, kubitdatora būvniecības laikā fiziķi atgriezās no pagājušā gadsimta pirmās puses digitālajām ierīcēm uz analogajām ierīcēm. Tagad viņu uzdevums ir pāriet uz "ciparu" jaunā, kvantu līmenī. Izmantojot kubitu kopu, kuras pamatā ir "aukstie atomi", Lūkina komanda jau ir spējusi atrisināt vairākas specifiskas fiziskas problēmas, kuras ir ārkārtīgi grūti modelēt, izmantojot klasiskos datorus.

Tuvākajā nākotnē zinātnieki plāno turpināt eksperimentus ar kvantu datoru. Papildus tīri zinātnisku problēmu risināšanai kvantu mehānikas jomā, profesors Lūkins neizslēdz, ka viņa komanda mēģinās tajā ieviest slaveno kvantu Šora algoritmu, kas ir bezspēcīgs pār esošajām šifrēšanas sistēmām. Bet arī citi praktiskās jomas kur jaunā datoru paaudze varētu radīt revolūciju, ir neskaitāmas. Piemēram, hidrometeoroloģija, kur esošo skaitļošanas ierīču jauda acīmredzami nav pietiekama, lai uzlabotu laika prognožu precizitāti.

Kvantu datori sper savus pirmos soļus, taču nav tālu laiks, kad tie kļūs tikpat izplatīti kā mūsdienu datori.

Piektdienas rītā, 14. jūlijā, Starptautiskajā kvantu tehnoloģiju konferencē Mihails Lukins, Krievijas Kvantu centra līdzdibinātājs un profesors plkst. Harvardas Universitāte- runāja par pilnībā programmējama 51 kubitu kvantu datora izveidi, ko veikusi viņa zinātniskā grupa. No pirmā acu uzmetiena šo rezultātu var saukt par pēkšņu izrāvienu šajā jomā – tādi giganti kā Google un IBM tikai tuvojas 50 kubitu pavērsienam kvantu datorā. Tikai vakar pirmsdrukas serverī parādījās arXiv.org Detalizēts apraksts eksperiments. Redakcija N+1 Nolēmu izdomāt, kas noticis un ko sagaidīt no jaunā kvantu datora.

Īsumā par kvantu datoriem – universālajiem un neuniversālajiem

Kā izskatās 51 kubitu dators?

Nodarbosimies ar fiziķu izveidoto sistēmu gadā jauns darbs. Kubitu lomu tajā spēlē aukstie rubīdija atomi, kas iesprostoti optiskajā slazdā. Pats slazds ir 101 optiskā pincete (fokusēts lāzera stars). Gradienta dēļ atoms tiek turēts līdzsvara stāvoklī ar pincetēm elektriskais lauks- to piesaista vieta ar maksimālo elektriskā lauka intensitāti, kas atrodas pincetes fokusa punktā. Tā kā visas pincetes ir sarindotas, arī visi datora kubitu atomi ir sarindoti ķēdē.

"Nulle" katram no rubīdija atomiem ir tā pamats, neuzbudināts stāvoklis. "Viens" ir īpaši sagatavots Rydberg štats. Tas ir tāds satraukts stāvoklis, kurā rubīdija ārējais elektrons atrodas ļoti tālu no kodola (50., 100., 1000. orbitālē), bet joprojām ir saistīts ar to. Lielā rādiusa dēļ Ridberga atomi sāk mijiedarboties (atgrūst) daudz lielākos attālumos nekā parastie. Šī atgrūšanās ļauj pārveidot 51 rubīdija atoma rindu spēcīgi mijiedarbojošu daļiņu ķēdē.

Lai kontrolētu kubitu stāvokļus, tiek izmantota atsevišķa lāzeru sistēma, kas spēj tos iekustināt līdz Ridberga stāvoklim. Galvenā un vissvarīgākā jaunā kalkulatora iezīme ir iespēja tieši uzrunāt katru no 51 kubitiem. Ir arī sarežģītāki atomu ansambļi, kuros tiek novēroti sapinušies kvantu stāvokļi (nesen mēs runājām par 16 miljoniem atomu, kas sapinušies mijiedarbībā ar vienu fotonu), un kvantu simulācijas ir veiktas vairāk nekā simts aukstiem atomiem. Bet visos šajos gadījumos zinātniekiem nebija iespēju precīzi kontrolēt sistēmu. Tāpēc jauno sistēmu sauc par pilnībā programmējamu kvantu datoru.

Katrs kvantu datora aprēķins savā ziņā ir reālas kvantu sistēmas simulācija. Jaunā darba galvenā daļa ir veltīta plaši pazīstamās kvantu sistēmas - Ising modeļa - modelēšanai. Tas apraksta daļiņu ķēdi (šajā gadījumā) ar griezieniem, kas nav nulles (magnētiskie momenti), kas mijiedarbojas ar saviem kaimiņiem. Ising modeli bieži izmanto, lai aprakstītu magnētismu un magnētiskās pārejas cietās vielās.

Eksperiments tika izveidots šādi. Pirmkārt, daļiņas tika atdzesētas un notvertas optiskajās pincetēs. Tas ir varbūtības process, tāpēc sākotnēji daļiņu masīvs bija haotisks. Pēc tam, izmantojot mērījumu un regulējumu secību, tika izveidots bezdefektu masīvs, kurā bija vairāk nekā 50 aukstu atomu zemes neuzbudinātā stāvoklī. Nākamajā posmā optiskās pincetes tika izslēgtas un tajā pašā laikā tika ieslēgta sistēma, kas ierosināja atomus Rydberg stāvoklī. Kādu laiku sistēma attīstījās van der Vāla spēku iedarbībā - atomi ieņēma viņiem “ērtākās” pozīcijas, pēc tam atkal tika ieslēgtas pincetes un pētīja evolūcijas rezultātu.

Atkarībā no tā, cik tuvu aukstie atomi bija aizraujošajam impulsam, fiziķi novēroja dažādus evolūcijas rezultātus. Tas ir saistīts ar faktu, ka Rydberg atomi spēj nomākt Rydberg stāvokļu kaimiņu ierosmi (spēcīgas atgrūšanās dēļ). Zinātnieki ir novērojuši sistēmas, kurās atomi pēc evolūcijas tika sakārtoti tā, ka starp katru blakus esošo Rydberg atomu pāri bija tieši viens, stingri divi vai stingri trīs parastie.

Interesanti, ka ļoti sakārtotu struktūru veidošanās pēc brīvas evolūcijas notika ar ļoti lielu varbūtību - pat 51 aukstā atoma masīva gadījumā.

Lai redzētu, kā notiek evolūcijas process, zinātnieki ieslēdza pinceti un “fotografēja” sistēmu dažādos laika punktos. Izrādījās, ka dažos gadījumos evolūcija līdz līdzsvara stāvoklim bija ļoti lēna: sistēma ilgu laiku svārstījās starp vairākiem stāvokļiem. Šo rezultātu var apstiprināt ar aptuvenu klasisko modelēšanu, analīzē iesaistot mijiedarbību starp blakus esošajiem un sekojošajiem blakus esošajiem atomiem.

Vai tas ir noderīgi?

Šis ir viens no gadījumiem, kad kvantu simulācija paredz reālo jauns efekts. Ir vērts atzīmēt, ka, izmantojot klasisko datoru, nav iespējams precīzi modelēt 51 auksta atoma sistēmu. Lai aprakstītu visus iespējamos stāvokļus, ir nepieciešams 2 51 bits RAM (apmēram petabaitam). Šo efektu apstiprināja tikai aptuvenā simulācija klasiskajā datorā.

Interesanti, ka kvantu ķīmiskajos aprēķinos notiek tieši pretēja situācija - klasiskie datori sniedz tikai aptuvenu sarežģītu sistēmu īpašību novērtējumu, tērējot tam milzīgus skaitļošanas resursus. Tajā pašā laikā šo, protams, kvantu sistēmu tieša analīze dod precīzu rezultātu.

Kam vēl tas noderētu?

Priekšdrukas beigās autori tradicionāli sniedz sarakstu ar jomām, kurās tas var būt noderīgs jauna attīstība. Dažus no tiem var uzskaitīt: superpozīciju veidošana, kas sastāv no liela skaita daļiņu, topoloģisko stāvokļu izpēte spin sistēmās. Fiziķi atsevišķi atzīmē, ka algoritms ir labi piemērots optimizācijas problēmu risināšanai sistēmām, kuru izmēri acīmredzami pārsniedz parasto datoru sasniedzamību. Šie uzdevumi ietver modelēšanu ķīmiskās reakcijas un apmācību.

Mihaila Lūkina un viņa kolēģu radītā sistēma tagad darbojas kā kvantu simulators – tā modelē sev līdzīgas sistēmas. Tomēr ir vērts atzīmēt, ka uz atsevišķiem Rydberg atomu pāriem fiziķiem jau ir izdevies izveidot loģiskus CNOT vārtus, ko izmanto, lai radītu sapīšanās. Līdz ar to varam teikt, ka jaunajā sistēmā var tikt realizēti daži vienkārši algoritmi (piemēram, Deutsch algoritms vai Shor algoritms ļoti maziem skaitļiem). Tomēr šie algoritmi šajā posmā nebūs noderīgi.

Mihails Lūkins (pa kreisi) un Džons Martiniss (pa labi) - grupas vadītājs, kas izstrādā 49 kubitu kvantu datoru uzņēmumā Google

Krievijas kvantu centrs

Savā ziņā jaunā iekārta jau spēj atrisināt tādas problēmas, ko nevar izdarīt klasiskie datori – to nevar precīzi modelēt ar parastajiem datoriem. Bet ir pāragri runāt par noderīgu kvantu pārākumu, kas jau ir noderīgs lietišķajās problēmās. Daudzi zinātnieki atzīmē, ka sacīkstes par kvantu pārākumu tagad nesniedz neko noderīgu no lietišķo skaitļošanas problēmu viedokļa.

Ir vērts atzīmēt, ka eksperimenti ar atomiem optiskajos režģos jau pirms dažiem gadiem pārsniedza klasisko datoru precīzās modelēšanas iespējas. Viņi izmanto desmitiem savstarpēji saistītu daļiņu. Piemēram, ar viņu palīdzību kvantu kooperatīvas parādības, kas saistītas ar superfluiditāti un supravadītspēju. Vai tas ir kvantu pārākums?

Vladimirs Koroļovs