Заблудиться в двух фотонах: как будут работать квантовые компьютеры и при чем тут «запутанность»

Словосочетание «квантовые компьютеры» сейчас на слуху у каждого, кто хотя бы немного интересуется информационными технологиями и системами коммуникации. Эту же область сопровождают понятия «квантовая запутанность», «криптография» и «суперпозиция». Мы попытались разобраться в том, что это такое, а о существующих достижениях и возможностях в этой области рассказал врио директора Казанского физико-технического института им. Е. К. Завойского Алексей Калачев, который приехал в Университет ИТМО на конференцию «Фундаментальные проблемы оптики».

Квантовый компьютер

«Системы квантовых коммуникаций, квантовые компьютеры — работа по этим направлениям развивается во всем мире. Существует порядка 10 крупных исследовательских центров и лабораторий, где разрабатывается элементная база для систем квантовой связи и квантовых компьютеров - устройства квантовой памяти, квантовые логические схемы, источники одиночных фотонов или запутанных двухфотонных состояний и другие. Что касается квантовых компьютеров, сейчас ведется активный поиск систем, которые позволили бы реализовать известные квантовые алгоритмы с большим числом кубитов (квантовый разряд или наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере — прим. ред). Активно изучаются сверхпроводниковые кубиты, и на них делается ставка как в России, так и в мире», — сказал Алексей Калачев.

Квантовый компьютер — это вычислительное устройство, которое работает по принципам квантовой механики. Классический компьютер работает на основе транзисторов, которые используют для обработки информации бинарный код — всем известные биты 0 и 1. Состояние бита легко измерить: сигнал либо есть, либо его нет. Квантовый компьютер использует кубит- квантовый бит, который одновременно может находиться, условно как в состоянии 0, так и в состоянии 1. Такое состояние называют суперпозицией. За счет создания суперпозиции большого числа кубитов ожидается, что квантовый компьютер сможет производить параллельные вычисления с невероятно большими массивами данных, во много раз опережая по мощности классические компьютеры.

Но при чем тут квантовая запутанность? Два кубита можно привести к «запутанному» состоянию. Физическим воплощением кубитов могут быть атомы, ионы, фотоны, электроны. Возьмем для сравнения фотоны. При помощи специальных установок их можно расщеплять на несколько фотонов, обладающих меньшей энергией.

Источник: informator.news
Источник: informator.news

Такие фотоны становятся «запутанными». Чтобы понять, что это такое, можно представить, что два получившихся фотона вертятся в определенных направлениях. Это условность, совмещающая значения поляризации, момента импульса и положения фотона в пространстве. Чтобы не вдаваться в эти сложные понятия, но разобраться в «запутанности», обозначим эти физические явления как вращение частицы или спин.

Мы можем измерять это вращение так, что у нас может быть только два результата: вращение совпадает с направлением измерения — тогда это состояние соответствует спину вверх, и не совпадать — тогда это будет спин вниз. Если до измерения частицы находились в запутанном состоянии, то результат измерения для одной частицы будет коррелировать с результатом измерения для второй частицы, независимо от расстояния между ними и независимо от того, по отношению к какому направлению определяются состояния «вверх» и «вниз». Например, если для одной частицы получается результат «спин вверх», то для второй всегда будет получаться результат «спин вниз». Узнав спин одной частицы, мы со 100% вероятностью тут же можем сказать, какой спин у частицы-близнеца. Это звучит несложно, но осознать, почему так происходит и зачем это нужно человечеству, гораздо трудее.

Вселенная с самого начала не знает, в каком положении находятся «запутанные» фотоны, но результаты измерения для одной из них позволяют судить о состоянии другой на большом расстоянии. Такие квантовые корреляции, свойственные запутанным фотонам, можно использовать для квантовой телепортации и квантовой связи.

Университет ИТМО. Алексей Калачев
Университет ИТМО. Алексей Калачев

Квантовая коммуникация

«Сегодня камень преткновения для квантовых сетей — это их ограниченный радиус действия из-за поглощения фотонов внутри оптоволокна. Сейчас для решения этой проблемы предлагается использовать либо квантовые повторители, либо космические аппараты. В обоих случаях необходимы источники неклассических состояний света, такие как источники одиночных фотонов или запутанных пар фотонов. Разработка подобных источников ведется, в частности, и в нашем институте. Если же говорить о квантовом интернете, то для его создания требуется объединение усилий многих исследовательских групп и организаций. Хочется надеяться, что запуск первого спутника квантовой связи в Китае станет стимулом для поддержки аналогичных крупных проектов и в России», — сказал Алексей Калачев.

Квантовые коммуникации возможны за счет так называемой квантовой телепортации — то есть передачи состояния от одной частицы к другой с помощью квантовой запутанности. Но для дальнодействующей коммуникации необходимо создать запутанные частицы на большом расстоянии друг от друга. Именно эту задачу решают квантовые повторители. Сегодня ученые пытаются создать устройства квантовой памяти, необходимые для реализации повторителей.

Для этого нужно, чтобы свет и вещество взаимодействовали так, чтобы квантовое состояние света «переносилось» на состояние частиц вещества — носителя квантовой информации. Одним из перспективных направлений является взаимодействия одного фотона сразу с множеством атомов, так называемым атомным ансамблем. В этом случае можно записывать и воспроизводить большие последовательности фотонов. Кроме того, ансамбль атомов можно поместить в оптический резонатор, то есть в систему зеркал, между которыми фотон отражается и «проходит» через среду много раз. В результате квантовое состояние фотона можно записать даже в небольших по размеру ансамблях.

Источник: depositphotos.com
Источник: depositphotos.com

Проблема в том, что время хранения информации в таких устройствах пока недостаточно для практического использования. Поэтому ученые обращаются к альтернативному решению и используют для квантовой связи на большие расстояния космические летательные аппараты. Нельзя сказать, что такой подход намного проще, однако наличие систем оптической связи со спутниками позволяет надеяться на быстрый прогресс в этом направлении. Кроме того, освоение космических просторов открывает возможность изучать квантовую запутанность на расстояниях, недоступных на Земле. Квантовая оптическая связь за пределами земной атмосферы станет важным шагом не только на пути создания квантового интернета, но и, возможно, изучения эволюции квантовых запутанных состояний в искривленном пространстве-времени.

О том, как ученые Университета ИТМО научились усиливать квантовую запутанность, читайте по ссылке.

Редакция новостного портала
Архив по годам:
Пресс-служба