Lukinov kvantový počítač. Rusko vytvorilo najvýkonnejší kvantový počítač na svete. Čo urobil náš lukin? zastavil lúč svetla

Pokiaľ ide o vynikajúcich ruských vedcov, mnohí si spomínajú na hrdinov minulosti - Mendelejeva, Pavlova alebo Landaua, pričom zabúdajú, že medzi našimi súčasníkmi je veľa vynikajúcich výskumníkov. Podľa dňa ruská veda"Atic" zhromaždil mená tých, ktorí urobili významné objavy už v 21. storočí.

fyzika

Ondrejova hra. Foto: ITAR-TASS / Stanislav Krasilnikov

V novom tisícročí nobelová cena vo fyzike šiel k rusky hovoriacim vedcom trikrát, hoci len v roku 2010 - za objav uskutočnený v 21. storočí. Absolventi MIPT Andrey Game A Konstantin Novoselov V laboratóriu univerzity v Manchestri sa im po prvý raz podarilo získať stabilný dvojrozmerný uhlíkový kryštál – grafén. Ide o veľmi tenký - jeden atóm hrubý - uhlíkový film, ktorý má vďaka svojej štruktúre mnoho zaujímavých vlastností: výbornú vodivosť, priehľadnosť, pružnosť a veľmi vysokú pevnosť. Pre grafén sa neustále nachádzajú nové a nové oblasti použitia, napríklad v mikroelektronike: vytvárajú sa z neho flexibilné displeje, elektródy, solárne panely.

Michail Lukin. Foto: ITAR-TASS / Denis Vyšinskij

Ďalší absolvent Moskovského inštitútu fyziky a technológie a teraz profesor fyziky na Harvardskej univerzite Michail Lukin , urobil zdanlivo nemožné: zastavil svetlo. Vedec na to použil podchladené rubídiové pary a dva lasery: kontrolný urobil médium vodivým pre svetlo a druhý slúžil ako zdroj krátkeho svetelného impulzu. Keď bol riadiaci laser vypnutý, častice svetelného impulzu prestali opúšťať médium, akoby sa v ňom zastavili. Tento experiment bol skutočným prelomom vo vytváraní kvantových počítačov - strojov úplne nového typu, ktoré dokážu súčasne vykonávať obrovské množstvo operácií. Vedec pokračoval vo výskume v tejto oblasti a v roku 2012 jeho skupina na Harvarde vytvorila v tom čase najdlhšie fungujúci qubit, najmenší prvok na ukladanie informácií v kvantovom počítači. A v roku 2013 Lukin prvýkrát dostal fotónovú hmotu - druh látky, ktorá sa neskladá iba z atómov, ale z častíc svetla, fotónov. Plánuje sa aj jeho využitie pre kvantové výpočty.

Jurij Oganesjan (uprostred) s Georgijom Flerovom a Konstantinom Petržakom. Foto z elektronického archívu SÚJV

Ruskí vedci v 21. storočí výrazne rozšírili periodickú tabuľku. Napríklad v januári 2016 do nej pribudli prvky s číslami 113, 115, 117 a 118, z ktorých tri sa prvýkrát podarilo získať v Spoločnom ústave jadrového výskumu (JINR) v Dubne pod vedením akademika Ruskej akadémie hl. vedy Jurij Oganesjan . Má tú česť objaviť aj množstvo ďalších superťažkých prvkov a reakcií ich syntézy: prvky ťažšie ako urán v prírode neexistujú – sú príliš nestabilné, preto vznikajú umelo v urýchľovačoch. Oganesjan navyše experimentálne potvrdil, že pre superťažké prvky existuje takzvaný „ostrov stability“. Všetky tieto prvky sa veľmi rýchlo rozpadajú, no najskôr teoreticky a potom experimentálne sa ukázalo, že medzi nimi by mali byť také, ktorých životnosť výrazne prevyšuje životnosť ich susedov v tabuľke.

Chémia

Artem Oganov. Foto z osobného archívu

Chemik Artem Oganov , vedúci laboratórií v Spojených štátoch, Číne a Rusku a teraz aj profesor na Skolkovskom inštitúte vedy a techniky, vytvoril algoritmus, ktorý umožňuje počítaču vyhľadávať látky s vopred určenými vlastnosťami, dokonca z hľadiska nemožného. klasickej chémie. Metóda vyvinutá Oganovom tvorila základ programu USPEX (ktorý znie ako ruské slovo"úspech"), ktorý je široko používaný po celom svete (v detailoch "podkrovie"). S jeho pomocou boli objavené nové magnety a látky, ktoré môžu existovať v extrémnych podmienkach napríklad pod vysokým tlakom. Predpokladá sa, že takéto podmienky môžu dobre existovať aj na iných planétach, čo znamená, že látky predpovedané Oganovom tam sú.

Valery Fokin. Biofarmaceutický klaster "Severny"

Látky s vopred určenými vlastnosťami je však potrebné nielen simulovať, ale aj v praxi vytvárať. Na tento účel bola v roku 1997 v chémii zavedená nová paradigma, takzvaná klikacia chémia. Slovo „cvaknutie“ napodobňuje zvuk západky, pretože bol zavedený nový termín pre reakcie, ktoré musia za akýchkoľvek podmienok spájať malé zložky do požadovanej molekuly. Najprv boli vedci skeptickí ohľadom existencie zázračnej reakcie, no v roku 2002 Valery Fokin , absolvent Lobačevského štátnej univerzity v Nižnom Novgorode, teraz pracujúci na Scrippsovom inštitúte v Kalifornii, objavil takúto „molekulárnu západku“: pozostáva z azidu a alkínu a funguje v prítomnosti medi vo vode s kyselinou askorbovou. Pomocou tejto jednoduchej reakcie je možné navzájom kombinovať úplne odlišné zlúčeniny: proteíny, farbivá, anorganické molekuly. Takáto „klikacia“ syntéza látok s predtým známymi vlastnosťami je predovšetkým nevyhnutná pre tvorbu nových liekov.

Biológia

Jevgenij Kunin. Fotografia z osobného archívu vedca

Na liečbu choroby je však niekedy potrebné nielen zneškodniť vírus alebo baktériu, ale aj opraviť vlastné gény. Nie, toto nie je zápletka pre sci-fi film: vedci už vyvinuli niekoľko systémov „molekulárnych nožníc“ schopných upravovať genóm (viac o úžasnej technológii v článku Attic). Najsľubnejším z nich je systém CRISPR/Cas9, ktorý je založený na mechanizme ochrany proti vírusom, ktorý existuje v baktériách a archeách. Jedným z kľúčových výskumníkov tohto systému je náš bývalý krajan Jevgenij Kunin , ktorý dlhé roky pôsobí v Národnom centre pre biotechnologické informácie USA. Vedec sa okrem systémov CRISPR zaujíma aj o mnohé otázky genetiky, evolučnej a výpočtovej biológie, takže nie nadarmo jeho Hirschov index (citačný index článkov vedca, ktorý odráža dopyt po jeho výskume) prekročil 130 - to je absolútny rekord medzi všetkými rusky hovoriacimi vedcami.

Vjačeslav Epštein. Foto Northwestern University

Nebezpečenstvo však dnes nepredstavuje len rozpad genómu, ale aj najbežnejšie mikróby. Faktom je, že za posledných 30 rokov nebol vytvorený ani jeden nový typ antibiotík a baktérie sa postupne stávajú imúnne voči starým. Našťastie pre ľudstvo v januári 2015 skupina vedcov z americkej Severovýchodnej univerzity oznámila vytvorenie úplne nového antimikrobiálneho činidla. Vedci sa preto obrátili na štúdium pôdnych baktérií, ktoré sa predtým považovali za nemožné rásť v laboratóriu. Aby obišiel túto bariéru, zamestnanec Severovýchodnej univerzity, absolvent Moskovskej štátnej univerzity Vjačeslav Epštein Spolu s kolegom vyvinul špeciálny čip na pestovanie odolných baktérií priamo na dne oceánu – vedec tak prefíkaným spôsobom obišiel problém zvýšenej „rozmarnosti“ baktérií, ktoré nechceli rásť v Petriho miske. Táto technika tvorila základ veľkej štúdie, ktorej výsledkom bolo antibiotikum teixobactin, ktoré si dokáže poradiť s tuberkulózou aj Staphylococcus aureus.

Matematika

Grigorij Perelman. Foto: George M. Bergman - Mathematisches Institut Oberwolfach (MFO)

O matematike z Petrohradu už zrejme počuli aj ľudia, ktorí majú k vede veľmi ďaleko Grigorij Perelman . V rokoch 2002-2003 publikoval tri práce dokazujúce Poincarého domnienku. Táto hypotéza patrí do oblasti matematiky nazývanej topológia a vysvetľuje najvšeobecnejšie vlastnosti priestoru. V roku 2006 bol dôkaz prijatý matematickou komunitou a Poincarého domnienka sa tak stala prvou medzi takzvanými sedemtisícročnými problémami, ktoré bolo potrebné vyriešiť. Patria sem klasické matematické problémy, ktorých dôkazy sa dlhé roky nenašli. Za svoj dôkaz bol Perelman ocenený Fieldsovou cenou, často označovanou ako Nobelova cena pre matematikov, ako aj Miléniovou cenou Clayovho matematického inštitútu. Vedec odmietol všetky ocenenia, čo pritiahlo pozornosť verejnosti ďaleko od matematiky.

Stanislav Smirnov. Foto: ITAR-TASS / Jurij Belinskij

Práca na univerzite v Ženeve Stanislav Smirnov v roku 2010 získal aj Fieldsovu medailu. Najprestížnejším ocenením v matematickom svete bol jeho dôkaz o konformnej invariancii dvojrozmernej perkolácie a Isingovho modelu v štatistickej fyzike - túto vec s nevysloviteľným názvom používajú teoretici na opis magnetizácie materiálu a používa sa v vývoj kvantových počítačov.

Andrej Okunkov. Foto: Rádio Liberty

Perelman a Smirnov sú predstaviteľmi Leningradskej matematickej školy, absolventmi notoricky známej školy č. 239 a Fakulty matematiky a mechaniky Štátnej univerzity v Petrohrade. No medzi kandidátmi na matematickú Nobelovu cenu boli aj Moskovčania, napríklad profesor Kolumbijskej univerzity, ktorý dlhé roky pôsobil v USA, absolvent Moskovskej štátnej univerzity Andrej Okounkov . V roku 2006, v rovnakom čase ako Perelman, získal Fieldsovu medailu za úspechy spájajúce teóriu pravdepodobnosti, teóriu reprezentácií a algebraickú geometriu. V praxi Okounkovove práce rôznych rokov našli uplatnenie ako v štatistickej fyzike na popis povrchov kryštálov, tak aj v teórii strún, v oblasti fyziky, ktorá sa pokúša spojiť princípy kvantovej mechaniky a teórie relativity.

História

Petra Turchina. Fotka: Technická univerzita Stevens

Nová teória na priesečníku matematiky a humanitné vedy ponúkol Petra Turchina . Sám Turchin napodiv nie je ani matematik, ani historik: je to biológ, ktorý študoval na Moskovskej štátnej univerzite a teraz pôsobí na univerzite v Connecticute a študuje populácie. Procesy populačnej biológie sa vyvíjajú dlhodobo a pre ich popis a analýzu je často potrebné budovať matematické modely. Ale modelovanie sa dá využiť aj na lepšie pochopenie sociálnych a historických javov v ľudskej spoločnosti. Presne to urobil Turchin v roku 2003 a nazval nový prístup kliodynamikou (v mene múzy histórie Clia). Pomocou tejto metódy sám Turchin zaviedol „sekulárne“ demografické cykly.

Jazykoveda

Andrej Zaliznyak. Foto: Mitrius/wikimedia

Každý rok sa v Novgorode, ako aj v niektorých iných starovekých ruských mestách, ako je Moskva, Pskov, Riazan a dokonca aj Vologda, nachádza stále viac nových písmen z brezovej kôry, ktorých vek sa datuje do 11.-15. V nich nájdete osobnú a oficiálnu korešpondenciu, detské cvičenia, kresby, vtipy a dokonca aj milostné správy - "Atic" o najzábavnejších starých ruských nápisoch. Živý jazyk písmen pomáha výskumníkom pochopiť novgorodský dialekt, ako aj život obyčajných ľudí a históriu Ruska. Najznámejším výskumníkom brezovej kôry je samozrejme akademik Ruskej akadémie vied Andrej Zaliznyak : nie nadarmo sa jeho každoročné prednášky o novonájdených písmenách a lúštení starých zapĺňajú plnou sálou ľudí.

klimatológia

Vasilij Titov. Foto z noaa.gov

Ráno 26. decembra 2004, v deň tragickej cunami v Indonézii, ktorá si podľa rôznych odhadov vyžiadala životy 200 – 300 tisíc ľudí, absolvent NSU pracujúci v Centre pre výskum cunami v National Oceanic a Správa atmosféry v Seattli (USA) Vasilij Titov prebudil sa slávny. A to nie je len slovné spojenie: keď sa vedec dozvedel o najsilnejšom zemetrasení, ktoré sa vyskytlo v Indickom oceáne, pred spaním sa rozhodol spustiť program na predpovedanie vlny cunami na počítači a jeho výsledky zverejnil na sieti. Jeho predpoveď sa ukázala ako veľmi presná, no, žiaľ, bola urobená príliš neskoro, a preto nedokázala zabrániť ľudským obetiam. V súčasnosti sa v mnohých krajinách sveta používa MOST program na predpovedanie cunami, ktorý vyvinul Titov.

Astronómia

Konštantín Batygin. Foto z caltech.edu

V januári 2016 šokovala svet ďalšia novinka: v našej rodnej slnečná sústava. Jeden z autorov objavu sa narodil v Rusku Konštantín Batygin z Kalifornskej univerzity. Po štúdiu pohybu šiestich vesmírne telesá, ktorý sa nachádza za obežnou dráhou Neptúna – poslednej zo súčasne uznávaných planét, vedci pomocou výpočtov ukázali, že vo vzdialenosti sedemkrát väčšej, než je vzdialenosť od Neptúna k Slnku, musí byť okolo Slnka ďalšia planéta. Jeho veľkosť je podľa vedcov 10-krát väčšia ako priemer Zeme. Aby sme sa však konečne presvedčili o existencii vzdialeného obra, je potrebné ho ešte vidieť ďalekohľadom.

Nedávno sa harvardskej skupine fyzika Michaila Lukina podarilo vytvoriť – v skutočnosti zdanie látky, ktorá sa neskladá z atómov, ale zo svetelných kvánt. Tento zásadný objav – skôr sa o možnosti fotónovej hmoty hovorilo len teoreticky – má priamu súvislosť praktické využitie: na základe interagujúcich fotónov je možné vytvárať výpočtovú logiku pre kvantové počítače. Zatiaľ je to záležitosť vzdialenej budúcnosti, no Lukinova skupina už pracuje na vytvorení komunikačných zariadení pre absolútne bezpečné komunikačné systémy.

Michail Lukin je profesorom na Harvardskej univerzite a na čiastočný úväzok vedúcim Medzinárodného poradného zboru Ruského kvantového centra. Je jedným z najcitovanejších fyzikov ruský pôvod. Jeho skupina sa zaoberá nielen základným výskumom fotoniky, ale aj jej technologickými aplikáciami. A to nielen v oblasti kvantových komunikácií či kvantových počítačov, ale aj v aplikáciách v medicíne: Lukinova skupina toto leto vytvorila diamant, s ktorým môžete selektívne a kontrolovane zabíjať rakovinové bunky. Lenta.ru hovoril s vedcom o tom, ako môže nový objav priblížiť vznik plnohodnotných kvantových počítačov, je to jednoduché základná fyzika sa mení na medicínske startupy a na to, čo robí pre Skolkovo počas práce v Bostone.

Lenta.ru: Váš posledný článok hovorí o vytvorení fotonickej hmoty. Čo to je?

Pokúsim sa to vysvetliť jednoduchý príklad. Predstavte si dva laserové lúče, ktoré prejdete cez seba. Fotóny týchto lúčov nijako neinteragujú, prechádzajú cez seba bez toho, aby sa nejakým spôsobom ovplyvňovali, ako dve vlny na hladine jazera. Je to spôsobené tým, že jednotlivé svetelné kvantá, fotóny, sú v podstate neinteragujúce častice. Ak však tie isté laserové lúče prekročíte nie vo vákuu, ale v nejakom médiu, napríklad v skle, situácia sa zmení. Svetlo z rôznych lúčov bude interagovať: lúče sa budú mierne vychyľovať, alebo sa rýchlosť jedného lúča bude meniť v závislosti od intenzity druhého.

Prečo sa to deje? Faktom je, že svetlo samo o sebe mení médium, v ktorom sa šíri. Zvyčajne veľmi slabo, ale mení sa. Zmenené prostredie sa správa inak elektromagnetická radiácia- a práve prostredníctvom média interagujú fotóny.

To všetko je známe už dosť dlho. Oblasť fyziky, ktorá sa zaoberá takýmito interakciami, existuje už takmer pol storočia a nazýva sa nelineárna optika. Mimochodom, sovietski vedci k tomu výrazne prispeli. Doposiaľ sa však nikomu nepodarilo prinútiť interagovať nie laserové lúče, ale jednotlivé svetelné kvantá.

V zásade, teoreticky, o tom už mnohí uvažovali. Asi pred 20-30 rokmi existovali teoretické predpovede o tom, aké médium na šírenie svetla je potrebné vytvoriť, aby fotóny v ňom interagovali. Možnosť existencie takýchto exotických objektov, fotónových párov, - v podstate molekúl fotónov, bola predpovedaná. V tomto článku v Príroda, o ktorých hovoríte, sme opísali, ako sa nám nakoniec podarilo získať takéto dvojice. V skutočnosti sa nazývajú fotónová hmota - kvôli skutočnosti, že sa silne podobajú molekulám, ale nepozostávajú z atómov, ale z fotónov.

Tu treba dodať, že štúdium interagujúcich fotónov je zaujímavé nielen samo o sebe. Má priame praktické uplatnenie v informačné technológie, v komunikáciách. Ide o to. Na jednej strane fakt, že väčšinou fotóny neinteragujú, je ich veľkou výhodou ako nosiča informácie. Ale na druhej strane, ak chceme nejako spracovať informácie, ktoré sa prenášajú pomocou svetla, tak je potrebné urobiť nejaké prepínače, nejaké logické prvky. A na to je potrebné, aby fotóny medzi sebou nejako interagovali. Svetlo sa teraz používa hlavne na prenos informácií a aby sa s nimi dalo manipulovať, musí byť preložené do nejakého elektrického signálu. Je to nepohodlné, pomalé a neefektívne. Takže ak dokážeme prinútiť fotóny, aby navzájom interagovali, môžeme vytvoriť úplne fotonické zariadenia, ktoré spracovávajú informácie.

Ako je usporiadané prostredie, v ktorom existuje fotónová hmota?

V našom nastavení pozostáva z ochladených atómov rubídia, ktoré tvoria pomerne hustý atómový plyn. Svetlo sa v tomto médiu šíri veľmi pomaly. To znamená, že v porovnaní s vákuom rýchlosť svetla klesá v akomkoľvek médiu, to je pochopiteľné, ale v tomto prípade sa fotóny takmer zastavia - ich rýchlosť je asi sto metrov za sekundu. Metódu takéhoto „zastavenia svetla“ sme zverejnili už v roku 2001 (Lenta.ru o tejto práci).

Obrázky: Ofer Firstenberg et al., Nature, 2013

Fotóny, ktoré sa v takomto médiu šíria, ťahajú so sebou rad atómových excitácií. Kvôli tomu sa v skutočnosti svetlo spomaľuje. Najzaujímavejšie však je, že atómy v tomto médiu začnú navzájom tak silno interagovať, že sa tieto interakcie prenesú na fotóny a zdá sa, že sa oni, fotóny, začnú navzájom priťahovať. Výsledkom je, že fotóny po prvé získajú efektívnu hmotnosť a po druhé vďaka vzájomnej príťažlivosti vytvoria viazaný stav, ktorý sa podobá molekule. Zákony, ktoré popisujú správanie fotónov v takomto prostredí, sú veľmi podobné zákonom, ktoré popisujú správanie častíc s hmotnosťou, masívne atómy.

Fotonická molekula, ktorú sa nám podarilo získať, je len začiatok, pretože z nej možno v zásade vytvárať zložitejšie objekty. V prvom rade nás teraz zaujímajú analógy kryštálových štruktúr, fotonické kryštály.

Máte na mysli fotónovú hmotu obsahujúcu nie dva fotóny, ale viac?

Nielen viac, ale v pravidelných intervaloch. Na dosiahnutie tohto stavu sa musia fotóny skôr odpudzovať ako priťahovať. V zásade vieme, ako to dosiahnuť, a myslím si, že malé kryštály sa v blízkej budúcnosti určite dajú vyrobiť.

Fotónové páry, ktoré ste dostali, sú, pokiaľ som pochopil, pomerne stabilné. To znamená, že ako každé fotóny sa nedajú zastaviť, musia sa pohybovať v médiu, ale existujú v pároch pomerne dlho, nezrútia sa, nepremenia sa povedzme na jeden fotón so zvýšenou energiou. V tomto prípade, ako ste povedali, v médiu medzi nimi existuje iba príťažlivá sila, bez odpudzovania. Prečo sa to deje?

Ide o to, že ide o kvantový systém. Spomeňte si na Bohrov atómový model, ktorý tento rok oslavuje storočnicu. V bežnom atóme je totiž aj kladne nabité jadro, je tam elektrón a medzi nimi nie sú žiadne odpudivé sily, iba príťažlivosť. Elektrón však nedopadá na jadro, ako vieme.

To sa deje v dôsledku kvantovania energie, ktorá umožňuje elektrónu pohybovať sa okolo jadra, ako to bolo, bez kolapsu. Presne ten istý príbeh sa deje s našimi fotónmi. V princípe je medzi nimi len príťažlivá sila, no vzhľadom na to, že ide o kvantový systém, nekolabuje, je v stabilnom stave. Situácia je veľmi podobná tej, ktorá sa vyskytuje v molekulách s dvoma atómami. To znamená, že názov "fotónová hmota" pre tieto páry častíc je celkom opodstatnený - analógia je tu dosť hlboká.

V tom istom čísle Príroda, kde sa objavil váš článok, bola publikovaná práca Fukuhary, kde sa podobný efekt párovania preukázal nie na fotónoch, ale na magnónoch - virtuálnych magnetických časticiach.

Áno, skupina Emmanuel Bloch z Inštitútu Maxa Plancka to dokázala. Toto je skutočne veľmi nezvyčajná zhoda okolností, pretože systémy, na ktorých pracujeme, sú úplne odlišné, no účinky, ktoré pozorujeme, sú pozoruhodne podobné.

Blochova skupina pracovala s atómami upevnenými v optickej pasci. Ide o pomerne známy systém, ktorý pomocou niekoľkých laserov umožňuje vytvárať optickú mriežku, v ktorej atómy sedia v potenciálnych jamkách, relatívne povedané, ako vajcia v krabici. V počiatočnom stave majú všetky tieto atómy jeden spin, to znamená, že ich magnetická polarizácia smeruje jedným smerom. Vystavením tohto média svetlu sa Blochovi a jeho kolegom podarilo prinútiť pár atómov k otočeniu rotácie a potom sa táto inverzia začala šíriť pozdĺž mriežky vo vlne.

V tomto prípade sa objavila aj dvojica naviazaných častíc, len v ich prípade magnóny, a nie fotóny. Skutočnosť, že magnóny môžu existovať vo viazanom stave, bola v zásade známa skôr. Ale Blochova skupina bola prvýkrát schopná sledovať šírenie týchto viazaných častíc v médiu. Vlnová funkcia takéhoto viazaného stavu častíc je veľmi podobná tomu, čo sme videli pri fotónoch. Ukazuje sa, že ide o taký pomerne univerzálny efekt.

Emmanuel a ja sme sa nedávno stretli na konferencii. Keď som mu pri raňajkách ukázal svoje dáta, nastala celkom vtipná situácia: naše dáta sa ukázali byť tak podobné v úplne odlišných fyzikálnych procesoch, že ostávalo povedať „wow“.

Áno, ale páry magnónov sú na rozdiel od fotonickej hmoty oveľa menej vhodné na použitie v komunikácii. Povedzte nám, prosím, čo sa dá urobiť s fotónovou hmotou v praxi?

Aplikovaným cieľom našej práce je vytvorenie fotonickej logiky. V systémoch, kde môžu jednotlivé fotóny medzi sebou interagovať, môžeme vytvárať povedzme jednofotónové spínače alebo jednofotónové tranzistory. Jednou zo špecifických úloh je priblížiť sa k vytvoreniu kvantového opakovača – zariadenia, ktoré umožňuje prenášať kvantovú informáciu bez toho, aby sa zničila jej kvantová podstata.

Čo je kvantový opakovač? Samozrejme viete o tom, v ktorom sa informácie prenášajú pomocou jednotlivých fotónov, ktoré sú v superpozícii dvoch stavov. Teoreticky je prenos kľúča pomocou jednotlivých fotónov absolútne spoľahlivou šifrovacou technológiou, pretože akýkoľvek pokus útočníka zasahovať do systému a zachytiť správu bude viditeľný. Táto kvantová kryptografia je v skutočnosti zaujímavá. V akýchkoľvek kanáloch však dochádza k stratám, takže súčasná kvantová komunikácia je obmedzená na vzdialenosť, pri ktorej sa väčšina fotónov nestratí – ide o desiatky, maximálne stovky kilometrov.

Problém strát v zásade existuje aj v klasických komunikáciách, tam sa to však rieši pomocou bežných opakovačov, ktoré signál prijmú, trochu „vyčistia“, zopakujú v zosilnenej forme a pošlú ďalej po optickej sieti. Kvantová komunikácia vyžaduje analógy takýchto zariadení. Problém je však v tom, že ak posielate informácie zakódované v jednom fotóne, nemôžete ich „zosilniť“ ( typickým príkladom je detekcia fotónu s neznámou polarizáciou - ak sa základ merania nezhoduje so základom polarizácie fotónu, informácia sa jednoducho stratí - cca. "Tapes.ru").

Kvantový opakovač musí byť schopný robiť dve základné veci. Po prvé, musí byť schopný uložiť kvantové informácie, ktoré sa prenášajú s fotónmi. Aby sme to dosiahli, v skutočnosti sme pracovali na tom, čo sa nazýva „zastavenie svetla“. To bola vlastne aj praktická motivácia našej práce – impulz sme sa snažili zastaviť zápisom jeho informácie do atómového budenia.

Po druhé, na vytvorenie tohto opakovača sa musíte naučiť robiť logické prepínače pre fotóny, fotónovú logiku. A tie experimenty, ktoré boli teraz publikované, priamo súvisia s vytvorením takejto logiky pre kvantové opakovače.

Sú fotónové páry qubitmi v tomto počítači?

Nie, jednotlivé fotóny sú qubity. A logika bude postavená na základe ich spojenia a separácie do fotonických molekúl. Keďže môžeme spárovať fotóny, predstavujeme si, ako vytvoriť prepínač, kde povedzme prítomnosť jedného fotónu môže zastaviť šírenie druhého fotónu. Na tom je už možné postaviť výpočtovú logiku.

Samozrejme, je tu veľa práce. Aby sme vytvorili prepínač, musíme mnohonásobne zlepšiť interakciu medzi fotónmi. Ale už sme si ukázali základný princíp a funguje to. Teraz môžete uvažovať praktickejším spôsobom. V nezávislom experimente sme už dokonca výrazne zlepšili kvalitu interakcie (výkon), ktorá bola získaná v publikovaných experimentoch.

Dúfame, že využitie fotonickej hmoty nebude obmedzené na kvantové opakovače. V budúcnosti na ich základe bude možné vytvárať plnohodnotné kvantové počítače, ktoré vykonávajú výpočty. Toto je ešte veľmi vzdialený horizont, pretože na to je potrebné vytvoriť stovky, možno až tisíce qubitov. A kvantový opakovač je náš súčasný, celkom hmatateľný, praktický cieľ.

Nezaoberáte sa len fotonickou hmotou. V auguste hovoríme o tom, ako vaša skupina prišla na nečakané využitie diamantov zbavených dusíka. Zvyčajne sa používajú ako qubity, ale teplomery ste z nich vyrobili nie z buniek, ale z ich jednotlivých častí. Kde sa vzal takýto nápad?

Teraz ako qubit nosiče využívajú najviac rôznych systémov. Môžu to byť napríklad chladené supravodivé dutiny, jednotlivé ióny alebo chladené atómy v optickej pasci. Alebo v prípade tejto práce elektróny v takzvaných NV centrách. Fyzicky je NV centrum len dierou v kryštálovej mriežke diamantu, ktorá existuje vedľa nečistoty - atómu dusíka. Tieto nečistoty existujú aj v obyčajných diamantoch, no vieme ich vytvoriť aj umelo ožiarením, napríklad atómami dusíka. Navyše tieto centrá môžu byť vyrobené z veľmi malých častíc, diamantových nanokryštálov.

Elektróny centra NV, ak sa nachádza blízko povrchu, sú veľmi citlivé na vonkajšie prostredie, na jeho teplotu a magnetické pole. Zhruba povedané, rýchlosť ich kvantovej evolúcie závisí od týchto parametrov. Na jednej strane je to problém pre kvantové počítače - stav systému sa stáva krehkým, je ťažké ho zachrániť v takom qubite. Ale na druhej strane takéto NV centrá môžu byť použité ako extrémne citlivé senzory.

Ich jedinečnosť spočíva v tom, že môžu byť veľmi malé, to znamená, že môžeme merať polia a teplotu vo veľmi malých objemoch. Prirodzene sme sa snažili použiť takéto nanokryštály pre aplikácie, kde je výhodou mikroskopická veľkosť. Napríklad pre spektroskopiu komplexných biomolekúl at izbová teplota alebo na meranie teploty jednotlivých častí článku. V tomto článku sme študovali možnosti použitia diamantových NV centier presne ako mikroskopických teplomerov.

Takéto nanokryštály nie sú len úplne novým nástrojom pre biológov. Je to tiež potenciálne spôsob riadeného ničenia rakovinových buniek. A v tomto zmysle príklad, ako úplne základného výskumu, môže takýto „výskum modrej oblohy“ viesť k vývoju reálnych aplikácií. Existuje už niekoľko startupov, ktoré sa snažia túto techniku ​​komercializovať.

Sú to vaše startupy?

Jeden z nich vytvoril môj bývalý postdoktorand, druhý - môj bývalý študent. Venujem sa im len ako externý poradca. Teda, trochu viem o tom, čo sa tam deje. Je veľmi zaujímavé sledovať, ako sa výskum mení na reálne aplikácie.

Vediete vedecký poradný zbor ruského kvantového centra v Skolkove, ale sám v Rusku nepracujete. Aj keď veľa vašich kolegov sa sem už presťahovalo. Ako sa to stalo?

Keď v skutočnosti vznikalo Skolkovo, pokúsili sa mi ponúknuť vytvorenie veľkého laboratória v Moskve. Ale vo všeobecnosti nie som zástancom budovania veľkých impérií, zdá sa mi, že keď sú obrovské skupiny, ktoré zamestnávajú stovky ľudí, tak sa líder už naozaj nemôže venovať vede, musí byť v prvom rade manažér. A v mojej pamäti to nikdy neskončilo niečím dobrým.

Môj postoj bol taký, že ak je v Moskve aktívne centrum, kde pracujú dobrí vedci, s vlastnými nápadmi, vlastnými skupinami, tak s nimi budem rád komunikovať a spolupracovať. Nechcel som si v Moskve vytvoriť vlastné laboratórium. Ale povedal som, že môžem pomôcť vytvoriť RCC, a najmä som sľúbil, že pomôžem nájsť dobrí ľudia ktoré by mohli vytvoriť laboratóriá. No a poradiť ako sa to dá zorganizovať.

To, čo vzniklo za necelé dva roky, čo som videl toto leto, je už teraz pôsobivé. Existuje niekoľko teoretických a experimentálnych skupín, ktoré už začínajú robiť vážne experimenty. So skupinou Alexeja Akimova sme uverejnili spoločný článok v lete v Veda.

O tejto publikácii sme sa s ním rozprávali. Teraz pracuje v Skolkove, ale táto inštalácia, na ktorej bol článok v skutočnosti vyrobený, bola zostavená v Amerike.

Toto je pravda. Avšak už existujú vedecký život, sú tam už celkom zaujímavé diela. Mám na mysli skupiny Akimov, Kalačevskij, Ľvovskij, Zheltikov a Ustinov (o vytvorení posledného v laboratóriu písal Lenta.ru).

Strávil som dosť času a úsilia, aby som pomohol, aby to všetko fungovalo správne. Teraz je hlavnou otázkou, ktorá ma znepokojuje, otázka, aká budúcnosť čaká kvantové centrum a podobné projekty vo všeobecnosti. Táto otázka je dôležitá, pretože...

Pretože ľudia si chcú plánovať svoj život...

Nie len. Faktom je, že jedno kvantové centrum nevyrieši všetky problémy. Musí existovať aspoň nejaká skupina takýchto ústavov alebo centier. Musia mať aspoň nejakú dlhodobú perspektívu – len tak sa dá vytvoriť skutočné vedecké prostredie.

Pre mňa osobne je na tomto príbehu najprekvapujúcejšie, že mnohí z popredných svetových vedcov súhlasili s pomocou pri vytváraní tohto centra. A pomáhali a pomáhali úplne zadarmo. Pre ruskú realitu je to, pokiaľ som pochopil, ojedinelý prípad. Možno preto sa ukázalo, že to urobilo niečo dobré.

Michail Lukin (nar. 1971) je jedným z najuznávanejších vedcov súčasnosti. Americký a ruský fyzik, člen Americkej akadémie vied, profesor na Harvardskej univerzite, absolvent MIPT, jeden zo zakladateľov Ruského kvantového centra. Michail Lukin sa stretol s redaktormi časopisu For Science v Bostone a hovoril o harvardskom školstve, Landavshitzovi, diamantových qubitoch, experimentoch, teórii a dokonca aj o renovácii fyzikálnych a technologických internátov v r. študentské roky. Publikácia Ksenia Tsvetkovej v časopise „For Science“, 2018. Číslo 3.

Na Harvarde učím jeden kurz za semester. V podstate ide o špeciálne kurzy pre postgraduálnych študentov, teraz - elektrodynamika. Je tu niekoľko úrovní: úvodná – na úrovni Purcellovej knihy, ale učím pokročilejších – niečo medzi Sivukhinom a Landavshitsom. Landavshits je tu známy, ale veľmi nepoužívaný. Podľa môjho názoru je to tak dobrá kniha ale trochu zastaralé. Napríklad všetky moderné kurzy od samého začiatku využívajú formalizmus bra a ket vektorov na popis kvantových stavov. Landavshitzov prvý kvantový zväzok to nespomína. Ak chcete získať bakalársky titul z fyziky, musíte absolvovať iba niekoľko kurzov: mechanika, elektrina, termodynamika a vlny. Existuje však veľa kurzov na vysokej úrovni. Tí, ktorí idú na postgraduálnu školu, absolvujú postgraduálne kurzy počas bakalárskeho štúdia. Ak je záujem, strop neexistuje.

Na Harvarde je počet predmetov oveľa menší ako na Phystech v prvom roku štúdia – pravdepodobne ich bolo desať. Na Harvarde sú štyri za semester, ale sú intenzívnejšie a často zahŕňajú laboratórne projekty. Hovorí sa, že Phystech je modelovaný podľa MIT, ale nie som si tým istý. kalifornské technologický inštitút(Caltech) je skôr Phystech. Všetci absolvujú na začiatku rovnaké kurzy. V roku 1998 nebolo možné ani len snívať o tom, že sa stanete profesorom na Harvarde. Existuje niekoľko dosť nezvyčajných postdoktorandských štipendií - úplná sloboda, robte, čo chcete. Nemáte vlastnú skupinu, ale môžete si vybrať, s ktorou skupinou budete pracovať, alebo môžete pracovať sami. Nie je ľahké získať štipendium, ale ak sa vám to podarí, zvážte, či sa stať umelcom na voľnej nohe. Dostal som jeden z nich.

Na tri roky postdoka sme sa začali rozvíjať zaujímavé nápady, konkrétne prišiel s experimentom na zastavenie svetla. Tento proces umožňuje súvisle zaznamenávať informácie o hybnosti fotónu v atóme a potom ich čítať. Teóriu sme nielen rozvinuli, ale aj na základe nej urobili experiment, ktorý sa stal všeobecne známym. Na konci trojročného funkčného obdobia v roku 2001 mi bolo ponúknuté miesto odborného asistenta. Moja skupina každých pár rokov začína rozvíjať nový smer. Z tohto dôvodu je naše laboratórium dosť nezvyčajné, pretože nepracujeme v jednej oblasti. Pre vedca je veľmi dôležité z času na čas zmeniť smer. To podporuje vedeckú mládež, núti vás premýšľať, študovať nové veci.

30 mojich absolventov sa už stalo profesormi, aj keď zvyčajne malá časť absolventov zostáva vo vede, väčšinou ide pracovať do veľkých spoločností. Vo všeobecnosti sa domnievam, že aj odchod vedca do spoločnosti robí svet lepším. V roku 2004 sme začali používať diamantové nečistoty ako qubity. Potom som mal inteligentného, ​​pracovitého postgraduálneho študenta, ktorý sa zaoberal teóriou. Začali sme premýšľať o tom, ako postaviť kvantové počítače v pevnej fáze alebo kvantové siete. V určitom okamihu za mnou prišla a povedala: "Nikto nebude čítať naše teoretické články, musíme urobiť experiment." Potom som ešte len začínal, mali sme len jednu malú laboratórnu miestnosť a kolega nám požičal miesto - kút vo svojom laboratóriu tri krát tri metre. Ako sa neskôr ukázalo, bol to historický, šťastný kútik, pretože sa v ňom udialo veľa dôležitých objavov. Postavili sme tam dva malé experimenty. V priebehu piatich rokov bolo v časopise Science and Nature osem článkov – takto začala činnosť diamantového qubitu.

existuje legendárny príbeh. V jednom z moskovských inštitútov sa našla vzorka diamantu s jedinečnými vlastnosťami na experimenty: bola veľmi čistá. Rozdelilo sa to na štyri kusy: dva išli k nám, dva do Stuttgartu, kde pracovala ďalšia skupina. Po dlhú dobu sa všetky experimenty robili s týmto diamantom. Teraz je už samozrejme možné pestovať umelé diamanty, ktoré svojou čistotou prevyšujú ruský magický diamant – magický ruský diamant. Kvantový počítač je veľmi zaujímavý, otvorená téma, každý si to myslí, firmy investujú. Existujú dva veľmi zaujímavé body, na ktoré ľudia zabúdajú. Zatiaľ nevieme, či dokážeme postaviť skutočný veľký kvantový počítač s miliónom qubitov. Navyše, ak ho aj postavíme, nikto zatiaľ s istotou nevie, na čo môže byť užitočný. Ale už začíname vytvárať systémy dostatočne veľké, koherentné a programovateľné – už teraz je jasné, že nám umožnia študovať dynamiku zložitých systémov jedinečným spôsobom. Som si istý, že v najbližších rokoch nájdeme veľa nových aplikácií.

Moji rodičia sú vedci. Otec pracuje vo Phystech a mama je matematička. Môj otec vyštudoval Fiztekh, môj brat absolvoval Fiztekh. Zároveň moji rodičia verili, že v živote môžete urobiť čokoľvek, ale najprv musíte získať dobré vzdelanie. Podľa ich definície je dobrým vzdelaním buď fyzika, alebo v extrémnych prípadoch matematika. Ako dieťa som chcel robiť kino. Chodil som do detských filmových ateliérov, niečo som nakrútil, dokonca som dostal aj nejaké ceny. Dlho som fyziku špeciálne neštudoval, dokonca som aktívne bojoval s rodičmi, no v istom momente som začal rozmýšľať, čo ďalej. Pre kino bolo potrebné vstúpiť do VGIK, a to sa zdalo takmer nemožné. Vo chvíli slabosti ma rodičia prehovorili, aby som skúsil problémy riešiť a mne sa to veľmi páčilo. IN Minulý rokškole som študoval u Viktora Ivanoviča Chivileva z katedry všeobecnej fyziky. Je to proste úžasný človek a učiteľ. Teraz trénuje olympijské tímy, učí veľmi zaujímavo, intuitívne. Viktor Ivanovič vo mne vzbudil záujem o riešenie problémov a počas posledného ročníka školy som sa pripravoval na prijímačky. Keď som nastúpil na Ústav fyziky a techniky, rád som riešil problémy, no stále som si nebol istý: je veda moja alebo nie? Každý, kto chcel robiť vedu, išiel na FOPF. Preto som sa rozhodol, že kvantá sú niečo viac aplikované. Tak som skončil na FFKE.

Bol zaujímavý príbeh: po druhom roku sme v lete opravili našu ubytovňu, „dvojku“. Hovoria, že ho postavili nemeckí vojnoví zajatci koncom 40. a začiatkom 50. rokov, odvtedy sa pomaly rúca, snažili sa ho dať do poriadku, ale nič dobré z toho nebolo. Spolu s Fjodorom Zolotarevom a Sašou Parbukovom sme to prevzali a opravili za štátne sadzby, ale zároveň s použitím prichádzajúcich chlapov. Potom jeden z „podnecovateľov“ opravy Fedor Zolotarev vytvoril vlastnú stavebnú spoločnosť. Hovorí sa, že neskôr preňho pracovalo veľa známych fyzikov. Čo si želajú fyzici? Vyvíjajte sa, nájdite sa, nenasledujte dav. Vždy hľadajte nové riešenia a nebojte sa náročných úloh. Potom bude všetko v poriadku.

Ruskí a americkí vedci z Harvardskej univerzity, pracujúci v skupine Michaila Lukina, vytvorili kvantový počítač s 51 qubitmi, ktorý je dnes najvýkonnejší na svete. Uviedol to spoluzakladateľ Ruského kvantového centra (RCC), profesor Lukin, vo svojej správe na Medzinárodnej konferencii o kvantových technológiách (ICQT-2017), ktorá sa konala v júli v Moskve pod záštitou RCC.

Na rozdiel od klasických digitálnych počítačov, ktorých pamäť je postavená na princípe binárneho kódu (0 alebo 1, „áno“ alebo „nie“), kvantové počítače sú postavené na báze qubitov – kvantových bitov. Umožňujú tiež dva stavy (0 a 1), ale vďaka svojim kvantovým vlastnostiam qubit navyše umožňuje stavy superpozície, to znamená, podmienečne povedané, veľa medzistavov medzi dvoma hlavnými stavmi, popísanými komplexnými (imaginárnymi) číslami. Je jasné, že za takýchto podmienok je výkon a rýchlosť kvantového počítača o niekoľko rádov vyššia.

Samotná myšlienka použitia kvantových výpočtov na riešenie čisto matematické problémy navrhol už v roku 1980 Jurij Manin zo Steklovho inštitútu a o rok neskôr sformuloval princíp stavby kvantového počítača Richard Feynman. Uplynuli však desaťročia, kým sa objavili technológie, ktoré dokázali uviesť ich nápady do praxe.

Hlavným problémom bolo vytvoriť stabilné pracovné qubity. Lukinova skupina na ne nepoužila supravodiče, ale takzvané studené atómy, ktoré sa držia vo vnútri laserových pascí pri ultranízkych teplotách. Fyzikom to umožnilo postaviť najväčší 51-qubitový kvantový počítač na svete a prekonať svojich kolegov zo skupiny Christophera Monroea (5-qubitové zariadenie) a skupiny Johna Martinisa v Google (22-qubitové zariadenie) z Marylandskej univerzity.

Obrazne povedané, pri konštrukcii počítača qubit sa fyzici vrátili od digitálnych k analógovým zariadeniam prvej polovice minulého storočia. Teraz je ich úlohou posunúť sa na „číslo“ na novej, kvantovej úrovni. Pomocou sady qubitov založených na „studených atómoch“ už Lukinov tím dokázal vyriešiť niekoľko špecifických fyzikálnych problémov, ktoré je mimoriadne ťažké modelovať pomocou klasických počítačov.

V blízkej budúcnosti majú vedci v úmysle pokračovať v experimentoch s kvantovým počítačom. Popri riešení čisto vedeckých problémov z oblasti kvantovej mechaniky profesor Lukin nevylučuje, že sa na ňom jeho tím pokúsi implementovať známy kvantový algoritmus Shor, ktorý je oproti existujúcim šifrovacím systémom bezmocný. Ale aj iní praktické oblasti kde by nová generácia počítačov mohla spôsobiť revolúciu, je nespočetné množstvo. Napríklad hydrometeorológia, kde výkon existujúcich výpočtových zariadení zjavne nestačí na zlepšenie presnosti predpovedí počasia.

Kvantové počítače robia svoje prvé kroky, ale nie je ďaleko čas, kedy sa stanú takými bežnými ako dnešné počítače.

V piatok ráno 14. júla na Medzinárodnej konferencii o kvantových technológiách Michail Lukin, spoluzakladateľ Ruského kvantového centra a profesor na Harvardská univerzita- hovoril o vytvorení plne programovateľného 51-qubitového kvantového počítača jeho vedeckou skupinou. Na prvý pohľad možno tento výsledok nazvať náhlym prelomom v tejto oblasti – takí giganti ako Google a IBM sa len približujú k 50-qubitovému míľniku v kvantovom počítači. Len včera sa na predtlačovom serveri objavil arXiv.org Detailný popis experimentovať. Redakcia N+1 Rozhodol som sa zistiť, čo sa stalo a čo očakávať od nového kvantového počítača.

Stručne o kvantových počítačoch – univerzálnych a neuniverzálnych

Ako vyzerá 51-qubitový počítač?

Poďme sa zaoberať systémom, ktorý vytvorili fyzici v Nová práca. Úlohu qubitov v ňom zohrávajú studené atómy rubídia uväznené v optickej pasci. Samotná pasca je sústava 101 optických pinziet (sústredený laserový lúč). Atóm je držaný pinzetou v rovnovážnej polohe vďaka gradientu elektrické pole- priťahuje ho oblasť s maximálnou intenzitou elektrického poľa, ktorá sa nachádza v bode zaostrenia pinzety. Keďže všetky pinzety sú zoradené, všetky qubitové atómy počítača sú tiež zoradené v reťazci.

"Nula" pre každý z atómov rubídia je jeho základný, neexcitovaný stav. „Jedna“ je špeciálne pripravený štát Rydberg. Toto je taký excitovaný stav, v ktorom je vonkajší elektrón rubídia veľmi ďaleko od jadra (na 50., 100., 1000. orbitále), ale stále s ním zostáva spojený. Vďaka veľkému polomeru začnú Rydbergove atómy interagovať (odpudzovať sa) na oveľa väčšie vzdialenosti ako bežné. Toto odpudzovanie umožňuje premeniť rad 51 atómov rubídia na reťazec silne interagujúcich častíc.

Na riadenie stavov qubitov sa používa samostatný systém laserov, ktorý ich dokáže vybudiť do stavu Rydberg. Hlavnou a najdôležitejšou vlastnosťou novej kalkulačky je možnosť priamo adresovať každý z 51 qubitov. Existujú aj zložitejšie súbory atómov, v ktorých sú pozorované zapletené kvantové stavy (nedávno sme hovorili o 16 miliónoch atómov zapletených interakciou s jedným fotónom) a kvantové simulácie boli vykonané na viac ako stovke studených atómov. Ale vo všetkých týchto prípadoch vedci nemali možnosť presne riadiť systém. Preto sa nový systém nazýva plne programovateľný kvantový počítač.

Každý výpočet na kvantovom počítači je v určitom zmysle simuláciou skutočného kvantového systému. Hlavná časť novej práce je venovaná modelovaniu známeho kvantového systému – Isingovho modelu. Opisuje reťazec (v tomto prípade) častíc s nenulovými spinmi (magnetickými momentmi), ktoré interagujú so svojimi susedmi. Isingov model sa často používa na popis magnetizmu a magnetických prechodov v pevných látkach.

Experiment bol zostavený nasledovne. Najprv sa častice ochladili a zachytili do optickej pinzety. Toto je pravdepodobnostný proces, takže spočiatku bolo pole častíc chaotické. Potom sa pomocou sekvencie meraní a úprav vytvorilo bezporuchové pole viac ako 50 studených atómov v prízemnom nevybudenom stave. V ďalšej fáze sa vypla optická pinzeta a zároveň sa zapol systém, ktorý excitoval atómy do Rydbergovho stavu. Systém sa nejaký čas vyvíjal pod pôsobením van der Waalsových síl - atómy pre nich zaujímali „najpohodlnejšie“ pozície, potom sa pinzeta opäť zapla a študovali výsledok evolúcie.

V závislosti od toho, ako blízko boli studené atómy k vzrušujúcemu pulzu, fyzici pozorovali rôzne výsledky evolúcie. Je to spôsobené tým, že atómy Rydberg sú schopné potlačiť excitáciu susedov štátov Rydberg (kvôli silnému odpudzovaniu). Vedci pozorovali systémy, v ktorých boli atómy po evolúcii usporiadané tak, že medzi každou dvojicou susedných Rydbergových atómov bol presne jeden, striktne dva alebo striktne tri obyčajné.

Je zaujímavé, že k vytvoreniu veľmi usporiadaných štruktúr po voľnej evolúcii došlo s veľmi vysokou pravdepodobnosťou - dokonca aj v prípade poľa 51 studených atómov.

Aby vedci videli, ako prebieha vývojový proces, zapli pinzetu a „odfotografovali“ systém v rôznych časových okamihoch. Ukázalo sa, že v niektorých prípadoch bol vývoj do rovnovážneho stavu veľmi pomalý: systém dlho kolísal medzi viacerými stavmi. Tento výsledok môže byť potvrdený hrubým klasickým modelovaním, zahŕňajúcim do analýzy interakciu medzi susednými a nasledujúcimi susednými atómami.

Je to užitočné?

Toto je jeden z tých prípadov, keď kvantová simulácia predpovedá skutočné nový efekt. Stojí za zmienku, že je nemožné presne modelovať systém 51 studených atómov pomocou klasického počítača. Na opísanie všetkých možných stavov je potrebných 2 51 bitov RAM (asi petabajt). Tento efekt potvrdila len hrubá simulácia na klasickom počítači.

Zaujímavé je, že presne opačná situácia nastáva pri kvantovochemických výpočtoch – klasické počítače dávajú len približný odhad vlastností zložitých systémov, pričom na to vynakladajú obrovské výpočtové zdroje. Priama analýza týchto, samozrejme, kvantových systémov zároveň dáva presný výsledok.

Na čo iné by to bolo užitočné?

Na konci predtlače autori tradične uvádzajú zoznam oblastí, v ktorých môže byť užitočná nový vývoj. Niektoré z nich možno vymenovať: vytváranie superpozícií pozostávajúcich z veľkého počtu častíc, štúdium topologických stavov v spinových systémoch. Fyzici osobitne poznamenávajú, že algoritmus je vhodný na riešenie problémov optimalizácie systémov, ktorých veľkosť zjavne presahuje dosah bežných počítačov. Tieto úlohy zahŕňajú modelovanie chemické reakcie a školenia.

Systém vytvorený Michailom Lukinom a jeho kolegami teraz funguje ako kvantový simulátor – modeluje systémy podobné jemu samému. Stojí však za zmienku, že na samostatných pároch Rydbergových atómov sa fyzikom už podarilo vytvoriť logické brány CNOT používané na vytvorenie zapletenia. Preto môžeme povedať, že v novom systéme je možné implementovať niekoľko jednoduchých algoritmov (napríklad algoritmus Deutsch alebo algoritmus Shor pre veľmi malé čísla). V tejto fáze však tieto algoritmy nebudú užitočné.

Michail Lukin (vľavo) a John Martinis (vpravo) – vedúci skupiny vyvíjajúcej 49-qubitový kvantový počítač v spoločnosti Google

Ruské kvantové centrum

V istom zmysle je nové zariadenie už schopné riešiť problémy, ktoré klasické počítače nedokážu – konvenčné počítače ho nedokážu presne modelovať. Ale je príliš skoro hovoriť o užitočnej kvantovej nadradenosti, ktorá je už užitočná v aplikovaných problémoch. Mnoho vedcov poznamenáva, že preteky o kvantovú nadvládu teraz nenesú nič užitočné z hľadiska aplikovaných výpočtových problémov.

Za zmienku stojí, že experimenty s atómami v optických mriežkach už pred niekoľkými rokmi presiahli možnosti presného modelovania klasickými počítačmi. Používajú desiatky navzájom prepojených častíc. Napríklad s ich pomocou kvantové kooperatívne javy súvisiace so supratekutosťou a supravodivosťou. Je toto kvantová nadradenosť?

Vladimír Korolev