Новости и статьи с тегом квантовые технологии

Как защитить информацию с помощью квантовых технологий

Tue, 01 Jan 2013 19:41:37 +0400

Алексей Акимов - руководитель группы Квантовые симуляторы и интегрированная фотоника «Российского квантового центра». Перед вами - краткое содержание его беседы с Дмитрием Ицковичем, Борисом Долгиным и Анатолием Кузичевым, состоявшейся в рамках программы «Наука 2.0» (совместного проекта портала «Полит.ру» и «Вести.FM»).

«Российский квантовый центр» - первое международное исследовательское учреждение нового типа в России. В него приглашаются не только российские, но и зарубежные учёные. Центр организован по принципам, принятым в лучших исследовательских лабораториях за рубежом, и будет заниматься как фундаментальными исследованиями, так и прикладными.

«Российский квантовый центр» – резидент фонда «Сколково», и получает грантовое финансирование от фонда. Помимо этого, квантовому центру очень важно собрать “эндаумент” - фонд частного капитала, состоящего из пожертвований бизнесменов и компаний. Это принципиальный вопрос, потому что для долгосрочных позиций (а исследования имеют тенденцию быть долгосрочными) нужна гарантия финансирования на больший срок, который невозможно обеспечить за счет грантов.

Исследования будут проводиться небольшими группами, возглавляемыми лидером. Состав группы - около 10 человек. Лидер группы определяет направление исследования этого центра, он получает хорошую зарплату и решает, на что расходовать выделяемые на науку деньги. Все лидеры групп находятся на одном уровне, нет вертикальной жёсткой структуры, часто принятой в России.

Выбор групп лидеров осуществляется на основании внешней экспертизы международным консультативным советом. Это лидеры в области квантовых технологий, которые с помощью своего опыта, по результатам открытого конкурса, выбирают тех людей, которые, с их точки зрения, наиболее перспективны для работы в России. В наш Международный консультативный совет Российского квантового центра входят в том числе лауреат Нобелевской премии по физике Вольфганг Кеттерле, профессора физики Гарвардского университета Михаил Лукин, Евгений Демлер и Джон Дойл, профессор физики и кибернетики Калифорнийского технологического института Алексей Китаев, профессор университета Пердью Влад Шалаев и другие.

При подборе лидеров групп акцент делается на молодых людей, находящихся еще в самом начале своей карьеры. У каждой группы будет свой прицел. Очерчены общие рамки исследования: квантовые информационные технологии, попытка использования свойств одиночных частиц - одиночных атомов, или одиночных электронов или фотонов - для более эффективной обработки информации.

Уже сегодня в рамках исследований квантовой обработки информации возникло много неожиданных, сторонних направлений, одно из которых - магнитометрия.

Магнитометрия - хорошо разработанная область. Магнитные поля всегда измеряли и будут измерять - во многих областях нашей жизни, они находят применение везде, от простого компаса до сложных приборов, осуществляющих томографию головного мозга. Есть много способов томографии головного мозга, но, исследуя частицы, которые интересны с точки зрения квантовой информации, можно, по-другому посмотрев на них, использовать её для того, чтобы измерять магнитные поля внутри клетки и на уровне одиночных молекул.

Ещё четыре года назад это казалось абсолютно нереальным, но сегодня люди пытаются измерять внутриклеточные магнитные поля, чтобы на совершенно новом уровне понять, как работает клетка. Сейчас мы понимаем это на уровне органоидов клетки, а сможем понимать - на уровне отдельных молекул, на молекулярном уровне. Сходным методом можно исследовать и работу головного мозга, чтобы понять, как он работает.

Как работает флешка

Квантовая оптика и квантовые технологии - это область физики, в которой необычные явления квантовой механики люди пытаются использовать для того, чтобы создать какие-то полезные устройства.

Самый древний пример, который появился на свет до того, как появилось слово «квантовая технология», - это флеш-память, устройство, в котором в транзисторе используется эффект туннелирования для записи информации. Туннелирование иначе называется "подбарьерное прохождение". Это свойство частицы проникать через стенку. Например, если у нас есть стенка, и нам надо перенести через нее кирпич, то мы просто поднимаем и переносим его. В жизни элементарных частиц всё, как в фильме «Матрица» - частицы умеют проходить сквозь стенку.

Флешку изобрела корпорация «Toshiba» в 1984 году. Это была первая ласточка. Устройства, микросхемы, которые способны к записи, существовали и до того. Но они были очень сложные, и без специальных программаторов не работали. Использовались очень высокие напряжения, ультрафиолетовый свет, использовалась идея перенести частицу через барьер, через верх.

Элемент флешки – это ключ, у которого есть дополнительный затвор, кусочек металла, который ни к чему не подключён, он висит в воздухе, но вставлен внутрь транзистора. При приложении небольшого напряжения можно на этот затвор занести электроны, создать заряд. При этом свойство транзистора, его проводимость, изменится. Он выключится и включится, просто из-за того, что заряд окажется на затворе.

Заряд может лежать очень долгое время, если не прикладывать никакого напряжения, а с помощью эффекта туннелирования при достаточно небольших напряжениях его можно вставить, считать или передать информацию. Получается устройство, которое достаточно легко использовать, нужно буквально пять вольт. Но для того, чтобы подбарьерное прохождение работало, нужны очень маленькие размеры барьера. В рамках современной технологии чем тоньше стенка, тем лучше, поэтому именно флеш-память оказывается первой в повышении разрешения микросхем. Это большая индустриальная выгода.

ЧМ по футболу в ЮАР и квантовые технологии.

Новые технологии иногда появляется в самых неожиданных местах. В ЮАР использовался канал квантовых линий связи, который был разработан местным университетом для наиболее важных данных, передаваемых с чемпионата. Организаторы не хотели, чтобы кто-то подслушивал, о чем говорят между собой судьи и различные люди, принимающие решения.
Был использован защищённый канал, основанный на квантовых технологиях. Эксперимент удался, канал работал. Правда не совсем ясно, насколько важна подобная информация, и стоит ли ее защищать таким образом.

Квантовые линии связи

В основном интерес к таким линиям связи проявляют банки или индустриальные компании, где важно предотвратить кражу информации и защитить ее. Как только кто-то пытается проникнуть, вы мгновенно об этом узнаёте. Но сегодня квантовые линии связи - хоть и уже коммерчески доступная, но лишь зачаточная технология. Сегодня они медленные и работают на коротких расстояниях.

В будущем применения квантовых технологий за пределами вычислительных машин будут существенно шире. Еще одна важная вещь, связанная с так называемыми квантовыеми симуляторами – устройствами, позволяющими моделировать сложные материалы, существующие в реальном мире, с помощью достаточно хорошо контролируемых масштабных квантовых систем. Обычно это холодные атомы просто в оптической решётке. Оказывается, что холодные атомы в оптической решётке похожи на электроны в твёрдом теле. Смысл в том, что вы можете крутить все ручки, используя модельную систему. Можно контролировать все потенциалы, все взаимодействия и смотреть за каждым атомом, который моделирует электрон, - получив тем самым максимально полное понимание о свойствах моделируемого материала и создавая новые материалы с заранее известными свойтвами .

Можно провести простую аналогию: настоящая модель нужна для при строительстве самолета: прежде чем строить огромную машину, делают ее уменьшенную модель и проверяют ее в аэродинамической трубе. Так и новых материал может быть сначала смоделирован в симуляторе и лишь затем синтезирован. А если что-то пошло не так - вовремя исправить. При этом можно спроектировать такую модель, аналога которой еще не было.

Медленный свет

Медленный свет – это импульсы света, распространяющиеся в среде с очень низкой по сравнению со световой скоростью – иногда даже со скоростью пешехода или вообще нулевой.

В любой среде, например в стекле или в воде, свет распространяется медленнее, чем в вакууме. С этим явлением связано преломление света. Если запустить импульс света в среду и что-то ещё дополнительно со средой сделать в духе квантовых технологий, то свет может распространяться ещё значительно медленнее, чем в стекле. Люди пытаются на этом делать линии задержки, что достаточно важно на практике.

Выяснилось, что для линии задержки часто оказываются интересны не те системы, которые впоследствии привели к каким-то прорывам в квантовой информатике, а потери.

Нужны системы, в которых задержка будет не такой большой, но зато существенно меньше потерь. Возможна система, в которой вы можете остановить импульс, чтобы он шёл со скоростью пешехода, но он при этом будет поглощаться средой быстрее, чем успевает по этой среде продвигаться. Впрочем, разработка квантовых технологий в линиях задержки - пока в стадии становления.

Квантовый центр получил от «Сколково» грант в 1,33 млрд рублей

Редакция [ПОЛИТ.РУ] — Thu, 20 Dec 2012 16:19:55 +0400

Резидент кластера информационных технологий «Сколково» Российский квантовый центр (РКЦ) получил крупнейший грант в размере 1,33 млрд рублей на исследования в сфере квантовой оптики, обработки квантовой информации и квантового конструирования, сообщает пресс-служба фонда.

Российский квантовый центр — международная научно-исследовательская организация, занимающаяся исследованиями в области квантовой физики. В органы управления РКЦ входят лучшие ученые физики со всего мира, в том числе Нобелевские лауреаты, а также бизнесмены, специализирующиеся на инвестициях в научных областях. На сегодняшний день в Консультационный и Попечительский советы РКЦ входят Нобелевские лауреаты Вольфганг Кеттерле и Дэвид Гросс.

Результатами деятельности РКЦ станут безопасные сети передачи данных, создание новых материалов с заданными свойствами, субмикронные оптические транзисторы и высокочастотная оптическая электроника, новые системы для сверхчувствительной томографии головного мозга, компактные и точные часы для систем навигации.

В настоящее время в РКЦ научную работу ведут четыре исследовательские группы, которые возглавляют ведущие мировые специалисты в области квантовых технологий: «Сверхпроводящие квантовые цепи», «Фотоники», «Квантовые симуляторы и интегрированная фотоника» и группа квантовой оптики.

На сегодняшний момент квантовые технологии становятся определяющим фактором технологического развития общества в будущем, отмечается в сообщении. В 2012 году Нобелевскую премию по физике получили француз Серж Арош и американец Дэвид Уайнлэнд за новаторские экспериментальные методы, позволяющие измерять и контролировать отдельные квантовые системы.

По словам президента РКЦ Сергея Кузьмина, поддержка «Сколково» позволит новому поколению российских физиков продолжать заниматься наукой в России и даст толчок восстановлению фундаментальной науки в нашей стране.

«Квантовый компьютер изменит мир сильнее, чем это сделал персональный компьютер, дав возможность решать те задачи, которые нам кажутся неразрешимыми. И даже такие относительно простые технологии, как квантовые симуляторы, квантовые датчики, абсолютно защищенные квантовые коммуникации, которые могут появиться по пути к созданию квантового компьютера, имеют значительный потенциал практического применения и коммерциализации», - заявил председатель Попечительского совета РКЦ старший партнер Runa Capital Сергей Белоусов.

Российский квантовый центр — другая наука в России

Fri, 31 Aug 2012 10:10:06 +0400

Физик-экпериментатор Александр Львовский рассказал Дмитрию Ицковичу, Борису Долгину и Анатолию Кузичеву о преимуществах европейского образования и об амбициозном будущем Российского квантового центра в передаче «Наука 2.0» — совместном проекте информационно-аналитического портала «Полит.ру» и радиостанции «Вести FM». Это не прямая речь гостя передачи, а краткое содержание, пересказанное редакцией «Полит.ру».

Международная научная система

Я отучился на Физтехе четыре года, а затем уехал. Но уехал я с образованием, которое было эквивалентно западной степени бакалавра. Это, на самом деле, даже выше бакалаврского уровня. Когда я приехал в Америку в 93-ем году, мой уровень подготовки был выше среднего уровня моих однокурсников. До этого я написал заявления в десяток университетов. Взяли меня, кажется, в три: Брандайс, Стэнфордский и Колумбийский университеты. Я бы поехал в Стэнфорд, но там был факультет химических технологий. Это меня не очень интересовало, поэтому я поступил на физический факультет в Колумбийский университет.

Сейчас у меня пожизненная профессура. Есть три вида обязанностей, которые я должен выполнять перед университетом: публикация научных статей в ведущих научных изданиях, преподавание и так называемый сервис. Сервис заключается в службе в комитетах, в организации работы университета – у нас самоуправление.

В международной научной 	системе преподавание и наука очень 	тесно связаны.

Поступить в западный университет, отучившись 4 года, не так сложно. Во-первых, за это не надо платить. А во-вторых, имеется дефицит хороших абитуриентов. Я бы рекомендовал это для карьеры.

Другое дело, что потом, в 	какое-то время, стоило бы вернуться. Мы 	надеемся, что в России будут созданы 	условия для того, чтобы вернуться.

В России есть преподаватели университетов, институтов, которые преподают по 10 часов в неделю, но с наукой практически не связаны, или по 20 часов, и практически не ведут научную деятельность. А есть научные сотрудники, которые живут в НИИ и которые почти не преподают или преподают и обучают более юных сотрудников.

В международной научной системе это не совсем так. Люди и преподают, и занимаются научной работой со студенческой скамьи: студенты-дипломники, аспиранты должны преподавать, вести лабы, какие-то семинары - и благодаря этому им не нужно платить за обучение. Им платят стипендии, что очень удобно, ну а на более высоком уровне профессора должны уже вести какие-то лекции и так далее.

Что я подразумевал под самоуправлением? Все вопросы жизни факультета в основном решают сами профессора, хотя и более нижние чины допускаются до собрания, но не имеют права решающего голоса. Получается управление наиболее старшими.

Например, я был членом комитета, который определяет жизнь аспирантов и дипломников на факультете. Комитет определяет, во-первых, порядок приема новых студентов. Каждый год поступают сотни заявлений, нам нужно как-то их обрабатывать. Во-вторых, мы определяем набор курсов, которые студентам нужно брать, и кто эти курсы будет преподавать. В том числе, и какие требования предъявлять к студентам. Если у студентов возникают какие-то трудности, мы пытаемся их решить.

Участвовать в управлении должны все профессора, это обязательно. Избирается только руководитель комитета, но, как правило, никто не хочет идти на эту должность. Приходится постоянно заниматься администрированием, и на науку не остается времени.

Калгари, в котором я работаю, - это среднего уровня университет, но Квантовый институт при университете - один из лучших в мире. Правда, университет выделяет на него финансирование, которого хватает только на администратора.

Выбор университета

Понимание того, какой институт лучше, какой хуже, зависит от репутации людей, которые там работают. Они во многом определяют и репутацию института. Только если это Гарвард, то туда плохих специалистов просто не берут.

Если бы у меня были дети, 	я бы им посоветовал поехать в университет 	в Европу. Причина простая: в Германии, 	во Франции обучение стоит гораздо 	дешевле, чем в Америке, и оно лучше.

Понять, какие университеты в Америке хорошие, уже не так просто, если смотреть на стоимость обучения. Многие государственные университеты дешевле частных и при этом лучше. Есть многие частные университеты, учеба в которых стоит бешеных денег – в них учатся дети политиков, юристов. Это могут быть хорошие, престижные университеты, но в области точных наук не очень сильные.

Чтобы разобраться, надо просто читать обзоры. Если ребенок захотел заниматься именно квантовыми технологиями, нужно посмотреть, где есть сильные квантовые группы, почитать их сайты. Проглядеть, кто публикует статьи в научных журналах Science и Nature. Правда, не исключено, что пока родитель будет искать университет для ребенка, он (родитель) сам станет неплохим специалистом в области квантовых технологий.

Насколько я знаю, в европейских и американских университетах действительно больше курсов, которые можно выбирать студенту самому, чего не хватает российским вузам. Есть определенный набор курсов, который можно взять в любой последовательности. Это некоторая свобода. И, кроме того, есть требование – студент должен взять какое-то количество курсов за пределами факультета. Если вы, к примеру, изучаете точные науки, то вы должны взять четверть курсов, допустим, на факультете искусства или на факультете физической культуры. Я думаю, что это оправдано. Высшее образование подразумевает некоторый кругозор.

Устройство российского квантового центра

Российский квантовый центр (РКЦ) пока только создается. Идея заключается в создании некой научной организации, которая будет заниматься технологией, но которая, кроме того, будет организована по международному принципу и совершенно иначе, нежели сейчас организована наука в России. Речь идет об организационной структуре, уровне финансирования и зарплат.

Почему это важно?

Российская наука является наследием советской науки. Советская наука создавалась в основном для «холодной войны» и служила этим целям довольно эффективно. А сейчас, в 90-х годах, когда финансирование уменьшилось, и цель исчезла, эффективность, которая измеряется количеством научных статей с высоким индексом цитируемости, приглашениями на конференции, резко упала. Советская система была изолирована - и сейчас она перестала работать. Один из основных принципов науки, что позволяет ей существовать, - это ее международный характер, интернационализм.

Представим себе немца Юргена. Немец Юрген отучился в Германии, защитил там диплом, а потом поехал в аспирантуру в Канаду. Затем закончил аспирантуру, получил ученую степень и поехал постодоком (молодым кандидатом наук) в Данию по контракту. После этого он поехал, допустим, в Японию. Потом он может вернуться к себе в Германию и стать профессором. В результате, он побывал в нескольких местах, в каждом из которых приобрел опыт. Каждый такой профессор является уникальным сплавом опытов.

Тут надо сказать, что вышеупомянутые страны не случайны. Речь идет даже не о странах, а об институтах международного уровня. Международный опыт будет неоценим, если у института есть соответствующая репутация. Он может находиться даже в Зимбабве, это не важно. Другое дело, что в Зимбабве это будет не просто устроить. Для того, чтобы нормально работал научный институт, нужно, чтобы работали и другие социальные институты. Именно поэтому это будет не просто создать в России. Но пытаются.

Российский квантовый центр формально будет функционировать в рамках «Сколково». Сейчас «Сколково» - это чистое поле, там пока ничего нет. В первое время мы будем работать в разрозненных исследовательских институтах. Какие-то лаборатории будут в МГУ, какие-то - в Физическом институте академии наук, какие-то в Черноголовке, а потом, когда будет построено здание, как мы надеемся, институт переедет в Сколково. Это будет совокупность лабораторий, которые занимаются разными аспектами квантовых технологий.

В стационарном состоянии это будет от 10 до 20 исследовательских групп. Каждая группа будет возглавляться постоянным сотрудником с пожизненной позицией – tenure position, как говорят по-английски. А остальные позиции будут контрактные, на них будут наниматься сотрудники. Это будут такие позиции, на которые Юрген вместо того, чтобы поехать на постдока в Японию, поедет в Россию. Главное - это ему должно хотеться приехать сюда. Мы хотим, что было соревнование.

Цель – это создать один 	из пяти лучших квантовых центров в 	мире. 

Сейчас в Германии есть институт Макса Планка по квантовой оптике. Еще один институт Макса Планка просто по оптике. Есть Центр ультрахолодных атомов Гарвард – Массачусетский технологический институт. Есть институт в Сингапуре и институт фотоники в Барселоне.

Я подписывался под письмом, которое было адресовано президенту России, по поводу организации науки в России и как ее спасать. Один из основных тезисов письма: наука терпит крах, и если срочно не вмешаться, в частности, финансированием, то наука в России просто погибнет.

Одна из идей по спасению, которую мы предлагали, - это как раз создание таких федеральных научных центров, которые основаны на вышеописанных принципах. В частности, управление должно осуществляться неким международным комитетом, состоящим из лучших умов. Во-вторых, это временный, контрактный характер большинства позиций. В-третьих, тщательная международная экспертиза проектов и т. д.

Сейчас вузам начали давать очень разумное финансирование на научные исследования. Есть много грантовых программ и в академии, и в министерстве наук, которые, в общем, работают. И в основном это государственные деньги.

Кадры и финансы РКЦ

В РКЦ будет несколько лабораторий по квантовым технологиям. Квантовые технологии можно определить как контроль над квантовыми системами на уровне их индивидуальных микроскопических компонент. Сейчас в России, безусловно, имеются специалисты в этой области. Они работают в Московском университете, в Физическом институте академии наук. Многие НИИ, к сожалению, полностью потеряли свой статус, но некоторые сохранили: это Институт теоретической физики имени Л.Д. Ландау, Петербургский государственный университет, Физико-технический институт в Петербурге, Казанский университет.

Мы не устанавливаем ограничения по профилю компетенций в РКЦ, но существует нижняя планка по уровню специалистов. Мы будем приглашать на работу профессоров, исследователей посредством объявлений. Каждое из объявлений будет по определенным направлениям. Эти направления – ведущие направления современных квантовых технологий.

Например, будет направление по квантовой оптике, квантовому моделированию или квантовым датчикам. То есть то, что я упомянул, мы постараемся максимально широко представить. В пределах каждого из этих наиболее широких направлений возможны различные отклонения. В этих пределах мы будем уже смотреть на качества людей.

Мы надеемся начать набор в течение полугода. В чем проблема? «Сколково» дает неплохое финансирование, но это финансирование кратковременное. Каждые несколько месяцев мы должны сдавать отчеты, и каждый раз мы не будем уверены в том, что финансирование будет продолжено. В таких условиях невозможно нанять никого на пожизненную профессуру.

Это может быть перестроено посредством создания эндаумента - когда один или несколько капиталистов дают свои деньги. Эти деньги не тратятся, их кладут в банк, и дальше на проценты от этих денег платится зарплата профессорам. Нам удалось привлечь на сторону квантового центра ведущих (преимущественно российских) капиталистов, которые, как мы надеемся, дадут нам какие-то деньги.

Квантовые технологии — отказ от привычек

Thu, 30 Aug 2012 13:36:13 +0400

Физик-экпериментатор Александр Львовский рассказал Дмитрию Ицковичу, Борису Долгину и Анатолию Кузичеву о технологиях микромира, контроле на уровне фотонов и идее квантового компьютера в передаче «Наука 2.0» — совместном проекте информационно-аналитического портала «Полит.ру» и радиостанции «Вести FM». Это не прямая речь гостя передачи, а краткое содержание, пересказанное редакцией «Полит.ру».

Квантовая физика

Сейчас появилась возможность контроля над квантовыми системами, но чтобы понять, что это такое, надо, прежде всего, определить, что такое квантовая физика. Это физика, которая управляет законами микроскопического мира. Мы живем в мире больших тел. Это макроскопический мир. Он управляется законами классической физики, к которым мы привыкли и которые хорошо знаем. А микромир совсем другой, и живет он совершенно по другим законам. В последнее время, благодаря миниатюризации электронных технологий, мы приблизились к квантовому пределу. Сейчас не только электронные схемы, но и разнообразные наноприборы пересекают границу из макромира в микромир. Благодаря этому стали возможны квантовые технологии - технологии микромира.

Не все согласны с тем, как я 	определяю квантовые технологии, но под 	ними я имею в виду контроль над квантовыми системами на уровне их 	индивидуальных компонент – на уровне 	отдельных атомов, фотонов.

Возникает логичный вопрос: а что такое вообще квант и квантовая механика?
Будет проще определить квант как неделимую, мельчайшую частицу чего-то. Например, квант света – это фотон. Не бывает половины кванта, но размеры фотона зависят от частоты света. В основе понятия "квант" лежит представление о квантовой механике. Понятие "квантовая механика" довольно странное, потому что, по сути, не имеет отношения к механике. Точнее, отношение имеет, но не только к механике, а ко всей физике. Поэтому неправильно говорить "квантовая механика", правильно говорить "квантовая физика". А суть квантовой физики как раз в том, что там действуют принципиально другие законы. Не такие, к каким мы привыкли в макромире, в мире твердых тел. Это позволяет нам создавать квантовые технологии, так как законы другие и, соответственно, технологии тоже другие. В результате мы получаем две физики, существующие параллельно в одном мире.

По законам одной физики одновременно предмет может быть только в одном месте, а по законам другой – в двух. Наверняка все слышали про Кошку Шредингера. Согласно квантовой физике, любой объект, который может быть в одном из двух состояний, находится также в состоянии так называемой суперпозиции – это сумма, или разность, или вообще любая линейная комбинация этих двух состояний. Пример, который привел Эрвин Шредингер, может показаться нам нелепым, но в микроскопическом мире он совершенно нормальный.

Это кот, который находится 	в суперпозиции живого и мертвого. Он 	одновременно и жив, и мертв.

Над этим парадоксом квантовой физики по-прежнему ломают голову. Правильное его решение – попытки объединить две физики - приводит к совершенно нелепым результатам. И единственная непротиворечивая трактовка – это концепция существования многих параллельных вселенных. Она тоже звучит несколько нелепо, потому что мы привыкли к тому, что Вселенная одна. Однако концепция гласит, что вселенная находится в колоссальном состоянии суперпозиции, т.е. мы с вами одновременно находимся в разных вселенных. Честно говоря, я предпочитаю об этом не думать, иначе мы приходим к таким результатам, что дальше совершенно непонятно, что с ними делать. Мы живем в рамках одной логики, работающей в рамках одной вселенной. Поэтому проще думать, что существуют две физики, и они как-то друг с другом связаны.

Например, этот стол состоит из молекул, но чтобы им пользоваться, нам не обязательно думать о том, что он из них состоит. Нас интересует его вес, твердость, то есть макроскопические, физические свойства. Будет немного экзотично, если мы из стола захотим сделать квантовый процессор, но тогда нам уже неизбежно придется думать, что он состоит из атомов, а атомы ведут себя совершенно по-другому. Есть те же единички и нолики, как и в обычном процессоре, но они могут быть одновременно в состоянии суперпозиции.

Свет — носитель квантовой информации

В нашей лаборатории мы занимаемся квантовым светом. Свет микроскопический, это отдельные фотоны. Чтобы ничего не мешало, мы стараемся максимально изолировать нашу физическую систему от внешних воздействий. В частности, от рассеянного света. Поэтому в лаборатории и пол, и потолок, и стены черные.

Свет - это практически единственный возможный носитель квантовой информации. Допустим, мы сделали какую-то квантовую схему на сверхпроводниках. Она может хорошо работать, но ее нельзя послать на сто миль иначе как в конверте. А фотон можно. Сейчас уже известно, что компьютеры сами по себе стоят гораздо меньше, чем компьютерные сети, и если мы хотим развивать квантовый интернет, нам надо развивать квантовые технологии со светом. Мы занимаемся созданием квантовых состояний света и измерением квантового света.

Еще одна важная задача, которую нужно решить, - это научиться сохранять квантовое состояние света в другой среде, то есть информацию, а сам свет при этом исчезает. Любой компьютер, классический или квантовый, нуждается в ячейке памяти. И последнее, чем мы занимаемся, – это взаимодействие фотонов друг с другом. Фотоны маленькие, нам легче, если мы просветим их друг через друга, пропустим два фотона через одно стеклышко, но они не повлияют друг на друга. Однако для вычисления нужно, чтобы состояние одного бита могло повлиять на состояние другого бита. Поэтому важно научиться приводить наши фотоны во взаимодействие друг с другом.

Уже сейчас удалось добиться довольно многого. Например, в 2010 году мы опубликовали статью, где показали возможность измерить суперпозиции квантового состояния света до двух фотонов. Это непростая задача.

Что касается квантовой памяти, то тут тоже есть колоссальный прогресс. За последние 10 лет, начиная с протокола, который изобрел наш бывший соотечественник Михаил Лукин - выпускник физтеха, сейчас является одновременно профессором в Гарварде и одним из руководителей Российского квантового центра, эта наука активно развивается. Сейчас мы умеем сохранять свет с эффективностью примерно 90%. Если мы запускаем импульс света в среду, то мы можем его остановить, затем сохранить не сам свет, а квантовую информацию, а потом выпустить импульс примерно в том же квантовом состоянии с эффективностью 90%, то есть 90% энергии останется.

Соотношение энергии и информации зависит от конкретного состояния и поэтому зависит от способа кодирования информации. Если мы кодируем информацию в простых состояниях, то информация сохраняется лучше. Если мы кодируем информацию, например, в высокоэнергетических состояниях, а энергия сильно меняется, тогда информации практически не будет. 90% для информации – это очень неплохо. Понятно, что потеря 10% информации для компьютера никуда не годится. Но на самом деле на диске значительная часть информации действительно теряется. Это намеренная избыточность, но существуют алгоритмы коррекции ошибок, которые позволяют сохранять информацию совершенно безошибочно.

Квантовые системы

С одной стороны, квантовые технологии - необходимость, с которой мы столкнулись. Наши компьютеры становятся все меньше, и классические законы уже не всегда действуют. Например, начинает немножко греться процессор из-за туннельного эффекта. Сейчас это, конечно, незначительные эффекты, но они будут все более значительными.

Квантовая физика уже стала зримой вещью.

Тут я должен подчеркнуть, что квантовая физика сама по себе использовалась давно. Транзистор является квантовым прибором, он основан на физике твердого тела, т.е. на квантовой физике. А сейчас речь идет о квантовой физике именно индивидуальных квантовых объектов. Между ними есть разница: хотя то, с чем мы имели дело до этого, управлялось квантовой физикой, это все равно были большие объекты, в которых действовало приближение к классической физике. А сейчас эти приближения уже нельзя использовать: они просто не действуют.

Первое, что здесь можно отметить, - развитие квантовых систем даст нам массу трудностей. Классическая физика интуитивна, мы к ней привыкли. Мы уже сто лет развиваем электронику – сначала на лампах, теперь на полупроводниках. У нас появилась некая интуиция - знания, умения, с которыми мы живем. Инженер знает, что процессор с размером транзисторов 22 нанометров будет вести себя примерно так же, как и процессор с размером 130 нанометров. А вот если это не 22 нанометра, а 2 нанометра, то это будет уже совершенно другой принцип работы. Проблема в том, что инженер не будет понимать, что ему тогда с этим делать. Это барьер в развитии, который нужно преодолеть. Своего рода квалификационный дефицит. Если обычно наука шагает далеко впереди технологий, то тут мы получаем обратную ситуацию: квантовые системы практически сразу будут экстраполировать в массовое производство. Сначала обычные компьютеры уменьшаются до квантового состояния, а потом уже появляются квантовые специалисты. Это обратный процесс.

Во-вторых, благодаря тому, что начинают действовать новые законы, перед нами появляется совершенно новый горизонт. Представьте себе: вы пришли на стадион и видите, что мяч летит через двое ворот одновременно или начинает летать по-другому в зависимости от того, есть на трибунах зрители или нет. Вот насколько непривычны законы квантовой физики. И мне трудно себе представить, что они когда-либо станут для нас интуитивно привычны.

Кажется, 	Нильс Бор говорил, что если вы думаете, 	что вы интуитивно понимаете квантовую 	механику, значит, вы на самом деле ее 	не понимаете.

Говоря о квантовых технологиях - речь идет о возможности организации информации немного иным образом, нежели мы привыкли. Руководствуясь иной логикой и используя, соответственно, иные способы решения некоторых типов задач, мы получаем, например, идею квантового компьютера. Новые решения, связанные с передачей информации, позволяют нам создавать квантовую коммуникацию.

Квантовая криптография

Тут важно сказать, что квантовые технологии - это не просто квантовые компьютеры. Квантовые технологии – это целый спектр возможностей. Квантовый компьютер сам по себе не очень хорошая вещь, потому что он годится только для одного класса задач, и скорее для деструктивного класса, а именно – для расшифровки криптографических кодов. Как говорят, нынешнее общество – это общество информационного века, которое очень сильно зависит от защиты, безопасности информации.

Практически единственная задача, которую квантовый компьютер выполняет хорошо, – это нарушение этой защиты. Он быстро считает определенный класс задач, но их круг ограничен. Задания находятся в суперпозиции, и это, казалось бы, хорошо, потому что позволяет параллельно решать многие задачи. Но тогда получается, что и ответ тоже будет в состоянии суперпозиции, только нам не нужны все ответы одновременно. Нам нужен какой-то конкретный ответ, и как этот ответ вытащить из всей этой кучи, не совсем понятно. Именно поэтому класс задач ограничен. Теоретически мы квантовые вычисления понимаем довольно неплохо, поэтому вряд ли этот круг задач будет расширен.

Так вот, квантовая криптография – шифрование – безусловно, входит в круг квантовых технологий. Криптография относится не только к военному делу; в нынешнем мире она применяется очень широко. Например, когда вы покупаете книжку в интернете, вы печатаете номер вашей кредитной карточки. Затем он передается на сервер в зашифрованном виде. Или когда вы берете деньги из банковского автомата, номер вашей карточки и пароль передаются в зашифрованном виде. Важно, что криптографические задачи – это о создании кода определенным образом.

Криптография – довольно древнее ремесло, и оно развивалось вдоль двух проспектов. Один из проспектов – это когда перед тем, как обменяться секретной информацией, люди договариваются о неком секретном коде. И этот секретный код известен только тем, кто обменивается, а другим неизвестен, поэтому можно пересылать зашифрованную информацию. Это не расшифрует даже квантовый компьютер.

Когда вы покупаете что-то в интернете, ваш компьютер с сервером до этого не общался, и ему договориться с сервером о коде по закрытым каналам было нельзя. Тогда они вынуждены прибегать к определенному методу, который, собственно, и относится к сфере криптографии. Как мне кажется, это гениальное изобретение, потому что метод позволяет зашифровать что-то между двумя людьми или двумя компьютерами, которые до этого не имели возможность пообщаться и договориться о чем-то секретном. И, казалось бы, невозможно договориться так, чтобы никто другой не мог это расшифровать. Оказывается, возможно, но эта возможность шифрования основана на трудности решения определенной математической задачи.

Один из серверов придумывает математическую задачу, дальше дает исходные данные для этой задачи другому серверу. Зашифровать с помощью исходных данных несложно, компьютер может сделать это довольно быстро, практически мгновенно. А вот расшифровать, зная только условия задачи, но не зная решения, - трудно. Для этого обычному компьютеру потребуются годы, тысячелетия. В общем, практически невозможно. А квантовый компьютер сможет это решить за несколько секунд именно за счет иного принципа решения, которое, соответственно, и ведет к быстродействию при решении определенного вида задач.

Сам по себе термин квантовая криптография не совсем точен, потому что фактически ничего не шифруется. Суть в том, что информация передается открыто, но никто ее не может прочесть, а если прочтет, это будет замечено. Криптография заключается в чем? В кодировании информации посредством одной элементарной частицы. В основном используются элементарные частицы света – фотоны, - и информация кодируется в квантовых состояниях фотона. В частности, речь может идти о поляризации фотона. Свет – это волна, и колебания в волне идут либо вверх-вниз, либо вправо-влево, и такое направление колебаний, поляризация, происходит в квантовом состоянии.

Один из основных постулатов квантовой механики в том, что пытаясь измерить состояние квантовой системы, мы это состояние нарушаем. Что это значит для криптографии? Что если между отправителем и получателем находится тот, кто пытается подслушать, пытается поймать эти фотоны, померить их состояние и украсть информацию, то он обязательно нарушит состояние этих фотонов и будет замечен. Тут же станет понятно, что канал не является безопасным.

Что касается квантовой криптографии, то она уже существует. Есть коммерческие фирмы, которые производят аппараты, которые можно подключить к коммерческой телекоммуникационной сети. Это обеспечивает квантовую коммуникацию между двумя пунктами. Пока речь идет о паре сотен километров, но мы надеемся, что в ближайшее время это разовьется до межконтинентальных масштабов.

А вот квантовое моделирование и квантовые датчики - это более далекая перспектива. Может быть, 5-10 лет. До квантовых компьютеров - еще дольше. Не факт, что это будет в том виде, как мы это сегодня себе представляем.

Моделирование и квантовые датчики

В понятие квантовые технологии входят самые разнообразные вещи. Например, квантовое моделирование. В квантовом моделировании речь идет о такой, казалось бы, скучной вещи, как физика твердого тела. Она чрезвычайно трудна, и на ней основывается наука о материалах. Зачем нужны новые материалы – более или менее понятно: любая новая технология становится возможной, в частности, благодаря новым материалам. Пока что наука о материалах не очень понятна.

Твердое тело представляет собой набор атомов и электронов, укомплектованных в очень плотный объем, и физически смоделировать это твердое тело, эту квантовую систему с помощью обычного компьютера практически невозможно. А с помощью квантового компьютера - можно. Мы моделируем твердое тело, которое является очень сложным квантовым объектом, но с известными свойствами.

Как правило, для моделирования используются атомы, охлажденные до миллионной доли градуса выше абсолютного нуля, которые тщательно изолированы от окружающей среды, и которые, тем не менее, взаимодействуют друг с другом определенным образом. Свойства атомов физикой изучены неплохо, и наблюдая, как эти атомы взаимодействуют друг с другом, можно делать выводы о том, как работает твердое тело. А дальше на основании этих выводов можно разрабатывать новые материалы уже не вслепую, а систематически.

Что это значит для нас на практике? Очень многое. Например, высокотемпературная сверхпроводимость при комнатной температуре, которая позволит уничтожить потери в электрических сетях. Те миллиарды киловатт, которые теряются, теряться не будут. Или сверхлегкие, сверхпрочные сплавы. Или поезда на магнитной подушке, которые движутся со скоростью самолета.

Говоря 	о применении квантового моделирования, 	можно фантазировать о небоскребах 	высотой в несколько километров, о 	покорении других планет и т.д.

Можно назвать еще одну технологию - квантовый датчик, - которая была придумана совсем недавно, но это очень перспективная, интересная технология. Квантовый датчик – это дефект в кристалле, размером с один атом. Оказалось, что в некоторых случаях мы можем контролировать и измерять квантовое состояние этого самого дефекта. Это интересно, потому что квантовое состояние чувствительно к внешним полям, и таким образом мы можем измерять электрические, магнитные поля с колоссальной точностью и колоссальным пространственным разрешением. Такой квантовый датчик можно внедрить в живую ткань, в клетку, и понять, как эта клетка или отдельные ее части функционируют. Можно внедрить его в мозг и понять, как функционирует нейронная сеть. Тут тоже можно пофантазировать и поговорить о переносе человеческого сознания в компьютер и других фантастических вещах.

Идея квантового компьютера

В квантовой механике совершенно иначе работают правила классической логики. В этом заключается и идея квантового компьютера. Это не машина Тьюринга, предложенная известным ученым Аланом Тьюрингом. Все современные компьютеры по своей сути одинаковы, и принцип их работы можно свести к очень простой машине. Она состоит из записывающей головки и записывающей ленты. Головка может двигаться вправо и влево в соответствии с информацией, записанной на ленте. Это, фактически, двоичный код – плюс и минус. Квантовый компьютер тоже использует двоичный код, но может использовать не только плюс и минус, а также ноль плюс единица (0 + 1) или ноль минус единица (0 - 1). Это не троичная система, а нечто более сложное. Возможен, напрмер, такой вариант: четыре нуля плюс четыре единицы.

Квантовый компьютер интересен для вычислений, потому что вычисления можно проводить именно в состоянии суперпозиции: компьютерам можно дать исходные данные в состоянии суперпозиции многих данных, и компьютер, проводя лишь одно вычисление, параллельно проводит вычисление со всем этим набором данных со всей суперпозиции.

Чтобы понять, о чем идет речь, представим себе телефонную книгу для миллионного города. Телефонная книга состоит из имени и телефонного номера. Допустим, что миллион имен – это 10 байт, а миллион телефонных номеров – 7. В итоге получаются все 17 мегабайт. А квантовый компьютер ту же самую информацию может записать как состояние суперпозиций всех имен и всех телефонных номеров, то есть всего в 17 квантовых байтах помещается практически столько же информации, сколько в этой огромной телефонной книге.

Емкость информации – это принципиальный выигрыш. А дальше, допустим, добавилась какая-то цифра в начале. Тогда мы можем одновременно провести операцию с большим количеством данных, аналогичных друг другу. Обратим внимание на слово «одновременно». Что это значит? Например, известно, что современный процессор может быть многоядерным – 4 или 8 ядер, и все эти ядра одновременно решают разные задачи. При этом одно ядро решает свою задачу, а все вместе они могут делать какие-то многозадачные, сложные вещи. Так вот квантовый компьютер параллельно может решать бесчисленное множество задач, намного больше, чем четырех- или восьмиядерный процессор.

Я попробую объяснить простыми словами, почему бесчисленное множество, хотя это сложно. Это экспоненциальный рост вычислительной мощности как функции от количества битов, то есть компьютер с одним битом может решать две задачи, с двумя битами – четыре задачи, с тремя битами – восемь задач и т. д.

Мы пока не знаем, как будет выглядеть и работать то, что мы пытаемся сделать. На экспериментальном уровне ученые добились немногого. Физики создали 14-битный квантовый компьютер – он очень маленький по сравнению с тем, к чему мы привыкли. Наше представление о квантовом компьютере сейчас, в общем-то, сравнимо с представлением об обычном компьютере в конце ΧΙΧ века. Мы даже не знаем, какой физический носитель наиболее оптимален для его создания. Мы знаем, что для обычного компьютера это полупроводниковые наноструктуры. А с квантовыми компьютерами люди пробуют самые-самые разные системы: и сверхпроводники, и атомные газы, и даже фотоны.