Квантовый компьютер и квантовые вычисления

Это Золотой Грааль современной науки, который не дает покоя ученым с 1980-х, когда Ричард Фейнман предложил самую первую модель квантового компьютера. Несмотря на то, что в разработку вкладываются не только сильнейшие университеты мира, но и технологические гиганты — IBM, Google и Intel, создать полноценный квантовый компьютер все еще не удалось. Однако уже существуют языки квантового программирования, работающие на основе библиотек симуляций.

Обычный компьютер в качестве ячеек памяти использует биты, в которых может находиться либо 0 либо 1. Квантовый компьютер в качестве памяти использует кубиты, в котором могут быть зашифрованы не только 0 или 1, но и оба этих взаимоисключающих состояния одновременно. Это называется состоянием суперпозиции: мы не знаем, зашифрован ли в кубите 0 или 1, и вероятность их выпадения в процессе считывания — 50 на 50.

Вероятность можно регулировать с помощью квантовых вентилей — базовых элементов квантового компьютера, которые преобразуют выходные данные по определенному закону и увеличивают вероятность выпадения 0 или 1 до 99%.

В одном кубите возможны два варианта состояний суперпозиции, в двух кубитах — четыре, в трех — восемь и так далее. Чтобы производить вычисления, превосходящие возможности современных компьютеров, у квантового компьютера должно быть несколько сотен кубитов. В конце 2022 года компания IBM представила квантовый процессор Osprey c 433 кубитами, который будет использовать компьютер IBM Quantum System Two.

Для чего это нужно: в первую очередь — для создания принципиально новой модели криптографии. Существующие алгоритмы считаются надежными, но ровно до того момента, как появится квантовый компьютер с достаточной мощностью для взлома систем шифрования. Дело в том, что современным компьютерам тяжело дается операция факторизации — разложение большого числа на его множители. Если это число и, следовательно, его множители огромны, то на их расшифровку может уйти сотня лет. Квантовый компьютер решит эту задачу за долю секунды.

Именно поэтому уже сейчас ученые разрабатывают новые способы передачи данных и новый принцип кодирования — на основе фотоники. Вместо электрического сигнала, передаваемого по проводам, предлагается передавать фотоны по оптоволокну. Кодируются данные в состоянии фотона — его вертикальной (отвечает за 0) или горизонтальной поляризации (отвечает за 1). В фотонах также может достигаться принцип суперпозиции — их можно создавать с двумя поляризациями одновременно. Перехватить такие данные, не скомпрометировав себя, невозможно — поэтому квантовое шифрование считается максимально надежным.

Квантовые коммуникации уже существуют — в ходе совместного проекта РЖД и Лаборатории квантовых процессов и измерений ИТМО была проложена квантовая сеть между Москвой и Санкт-Петербургом протяженностью около 700 км.

Подробнее:

Состоялся первый «квантовый звонок» между Москвой и Санкт-Петербургом

Можно ли сделать невзламываемый код?

Графен

Графен открыли в 2010 году Константин Новосёлов и Андрей Гейм — за что ученые получили Нобелевскую премию. Графен — это модификация углерода (как графит или алмаз), но состоящая лишь из одного слоя атомов. Такие материалы называют двумерными. А сами они обладают уникальными свойствами — сверхэлектро- и теплопроводностью, прочностью и гидрофобностью. Вдохновившись идеей графена, ученые создали и другие двумерные материалы: силицен, фосфорен, германен.

Где применяется: хотя использовать графен для создания принципиально новых вещей нельзя, в скором времени он, вероятно, произведет своего рода технологическую революцию. За счет своей сверхэлектропроводимости графен позволит создавать гораздо более быстрые электронные устройства, более электроемкие аккумуляторы и более эффективные солнечные панели. А еще — сверхпрочные материалы и гибкие экраны.

С двумерными материалами давно работают, в частности, ученые Нового физтеха ИТМО. А недавно на базе Научно-образовательного центра инфохимии для создания и изучения двумерных материалов была создана целая новая лаборатория.

Подробнее:

Ученые создали уникальную структуру на основе топологических поляритонов ― она может стать основой для разработки оптоэлектронных устройств нового поколения

В ИТМО открылась новая лаборатория. Здесь будут развивать технологии для сенсоров нового поколения

Метаматериалы

Это следующий после графена класс двумерных материалов, но с принципиально другим строением. Метаматериалы представляют собой ансамбль одинаковых наноструктур особой формы — за счет этого возникают уникальные оптические свойства. В зависимости от формы наноструктур меняется показатель преломления. Если обычно преломление света возможно в пределах от 0 до 90 градусов, то в метаматериалах свет можно развернуть и в — 45 и в 180 градусов (то есть в обратную сторону).  

Получается, что в метаматериалах можно достаточно точно и гибко управлять излучением — но пока что в ограниченном диапазоне: инфракрасном, радиоволновом — но не видимом спектре.

Где применяется: во-первых, на основе метаматериалов можно создавать оптические компьютеры. Вместо электрических зарядов данные в них передаются с помощью света — а значит, несравнимо быстрее. Это касается и радиоволн — метаматериалы могут подарить нам сверхбыстрый интернет и системы коммуникации.

Второе применение — суперлинзы для микроскопов. В существующие оптические микроскопы невозможно разглядеть предметы, которые меньше длины волны, падающей на предмет — это называется дифракционным пределом. Так как в метаматериалах можно управлять дифракцией, то и дифракционный предел также преодолим.

Ну и, наконец, из метаматериалов когда-нибудь (когда ученые научатся работать с видимым диапазоном света) можно будет сделать плащ-невидимку. Например, ученые ИТМО уже сделали «невидимый материал на основе диэлектрических наночастиц в анапольном состоянии, которые не излучают и не проводят свет, оказываясь невидимыми человеческому глазу.

Подробнее:

Что такое оптический компьютер и заменит ли он обычные устройства? Отвечаем в 6 карточках

«Невидимый» материал: ученые впервые смоделировали метаповерхности в гибридном анапольном состоянии

Бозон Хиггса

В практическом плане Бозон Хиггса — абсолютно бесполезная штука. Но для фундаментальной науки его открытие стало ключевым для понимания устройства мира.

Атомы состоят из протонов и нейтронов — те в свою очередь состоят из кварков, по три в каждом. Кварки обмениваются друг с другом энергией, точнее, нуклеонами — благодаря этому они и объединяются в протоны и нейтроны.

На самом деле элементарных частиц намного больше — все известные ученым сведены в так называемую стандартную модель. Согласно этой модели сами по себе частицы обладают нулевой массой. Но тогда непонятно, как они могут взаимодействовать и объединяться — ведь частицы с нулевой массой совсем не обладают инерцией, а значит, должны носиться по всей Вселенной со скоростью света в хаотичном порядке.

Ученые предположили, что по Вселенной разлито некое поле Хиггса, в котором частицы как бы вязнут и замедляются. Как пенопластовые крошечные шарики, которые при легчайшем дуновении разлетаются в разные стороны, но увязают в разлитой воде. 

В этой модели поле Хиггса состоит из тех самых бозонов — и если обнаружить эту частицу, то это станет доказательством существования и поля. На поиск этой частицы (которой не существует в природе в обычных условиях), потратили более 50 лет и построили огромный комплекс — адронный коллайдер, который запустили в 2012 году.

Гравитационные волны

Гравитационные волны были предсказаны самой теорией относительности Эйнштейна. Согласно теории, гравитация — это искривления пространства-времени, которые возникают под действием массивных тел. Чтобы понять, как это работает, можно представить натянутую ткань, в центре которой находится, например, шар. Другие шарики с меньшей массой, брошенные на эту ткань, будут по спирали спускаться в ту же ямку, которая образовалась под весом первого шара.

Ученые предположили, что гравитация распространяется волнами, подобно ряби на воде. Проблема доказательства этой теории в том, что планеты и звезды создают недостаточно сильные гравитационные волны, чтобы их можно было заметить. Но две черные дыры или две нейтронные звезды, сливаясь вместе, создают очень мощное возмущение — по пути к Земле они почти затухают, но все-таки могут быть детектированы достаточно чувствительными приборами.

Поиском гравитационных волн занималась коллаборация ученых из сильнейших университетов мира (в том числе МГУ). Они объединились в проект LIGO еще в 1980 году. Их целью было создать такие интерферометры, которые могли бы детектировать возмущение от слияния черных дыр — сделать это удалось только в 2016 году. За это открытие ученые (Райнер Вайсс, Кип Торн и Барри Бариш), стоящие у истоков проекта, получили Нобелевскую премию. 

Где применяется: открытие гравитационных волн радикально изменит область астрофизики и астрономических наблюдений. Все использующиеся в настоящее время телескопы работают на электромагнитном излучении: оптическом, радиоволновом, инфракрасном, ультрафиолетовом и так далее. С помощью гравитационных волн исследовать космос можно будет с помощью гравитации — это позволит нам не только видеть астрономические объекты, но и «осязать».

Изображение черной дыры

В 2019 году ученые впервые получили изображение черной дыры в 54 миллионах световых лет от Земли. Сделать это удалось с помощью глобальной сети радиотелескопов и объединения наблюдательных станций из разных точек Земли — этот проект назвали «Телескопом горизонта событий» (Event Horizon Telescope, EHT). На самом деле изображение — это не фотография, а синтезированное и обработанное изображение, сделанное в радиодиапазоне.

Снимок ― очередное подтверждение точности теории относительности, а еще неоспоримое доказательство самого существования черных дыр. Причем оказалось, что она выглядит именно так, как её описывали физики-теоретики. В центре находится сама «черная дыра», свет из которой просто не может вылететь из-за сильнейшей гравитации. Вокруг дыры — светящийся аккреционный диск. Создается он частицами, которые — подобно кольцам Юпитера — крутятся с такой скоростью, что от их трения производится колоссальное количество энергии. И наконец, форма аккреционного диска не идеально круглая, а приплюснутая из-за искривления пространства и времени.

Лекция Дмитрия Побединского ― часть программы всероссийского Дня физики. Посмотреть выступление полностью можно в группе VK «Физика для всех».