На сайте собрана основная информация о главных новостях, инициативах, проектах и мероприятиях Десятилетия науки и технологий. В 1973 году физик Филип Андерсон описал ее в своей теории, отметив, что она бы сыграла ключевую роль в создании квантовых компьютеров. Физики из Китая, например, создали квантовый компьютер, работающий на фотонах, и за 200 секунд он провел бозонную выборку — это мегасложное вычисление, на которое могло уйти полмиллиарда лет работы самого быстрого суперкомпьютера. Квантовая физика — раздел теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения. Новости.
Ключевую теорию квантовой физики наконец-то доказали. Главное
Что здесь возбуждается, если нет никакой среды? Квантовая физика предлагает соломоново решение: свет является одновременно и частицей, и волной. Строение ядра и ядерные частицы Постепенно становилось все более ясно: вращение электронов по орбитам вокруг ядра атома совершенно не похоже на вращение планет вокруг звезды. Обладая волновой природой, электроны описываются в терминах вероятности. Мы не можем сказать об электроне, что он находится в такой-то точке пространства, мы можем только описать примерно, в каких областях он может находиться и с какой вероятностью. Вокруг ядра электроны формируют «облака» таких вероятностей от простейшей шарообразной до весьма причудливых форм, похожих на фотографии привидений. Составляющие его крупные элементарные частицы — положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны — также обладают квантовой природой, а значит, движутся тем быстрее, чем в меньший объем они заключены.
Поскольку размеры ядра чрезвычайно малы даже в сравнении с атомом, эти элементарные частицы носятся со вполне приличными скоростями, близкими к скорости света. Для окончательного объяснения их строения и поведения нам понадобится «скрестить» квантовую теорию с теорией относительности. К сожалению, есть одна проблема - такая теория до сих пор не создана и нам придется ограничиться несколькими общепринятыми моделями. Энергия — величина динамическая, связанная с процессами или работой. Поэтому элементарную частицу следует воспринимать как вероятностную динамическую функцию, как взаимодействия, связанные с непрерывным превращением энергии. Это дает неожиданный ответ на вопрос, насколько элементарны элементарные частицы, можно ли разделить их на «еще более простые» блоки.
Если разогнать две частицы в ускорителе, и затем столкнуть, мы получим не две, а три частицы, причем совершенно одинаковые. Третья просто возникнет из энергии их столкновения — таким образом, они и разделятся, и не разделятся одновременно! Для того чтобы сказать что-то о ней, нам придется «вырвать» ее из первоначальных взаимодействий и, подготовив, подвергнуть другому взаимодействию — измерению. Так что мы меряем в итоге? И насколько правомерны наши измерения вообще, если наше вмешательство меняет взаимодействия, в которых участвует частица, — а значит, меняет и ее саму? Правомернее было бы называть его «участником» или «наблюдателем».
Отсюда и название явления, о котором мы будем говорить дальше — «Эффект наблюдателя» или «Парадокс наблюдателя» в квантовой физике. Стоит ему выбрать способ, каким он будет проводить измерения, и в зависимости от этого реализуются возможные свойства частицы. Стоит сменить наблюдающую систему, и свойства наблюдаемого объекта также изменятся — парадокс квантовой физики. Этот важный момент раскрывает глубинное единство всех вещей и явлений. Сами частицы, непрерывно переходя одна в другую и в иные формы энергии, не имеют постоянных или точных характеристик — эти характеристики зависят от способа, каким мы решили их видеть. Если понадобится измерить одно свойство частицы, другое непременно изменится.
Такое ограничение не связано с несовершенством приборов или другими вполне исправимыми вещами. Это характеристика действительности. Попробуйте точно измерить положение частицы, и вы ничего не сможете сказать о направлении и скорости ее движения — просто потому, что у нее их не будет. Опишите точно движение частицы — вы не найдете ее в пространстве. Так современная физика ставит перед нами проблемы уже совершенно метафизического свойства. Место или импульс, энергия или время Мы уже говорили, что разговор о субатомных частицах нельзя вести в привычных нам точных терминах, в квантовом мире нам остается лишь вероятность — это, можно сказать, один из принципов квантовой физики.
Также у нас есть 25-кубитный компьютер на атомной платформе. Но качество операций лучше на ионной платформе». До конца этого года должны успеть 50 сделать. Посмотрим, может быть, получится и больше», — добавил Юнусов. Квантовые компьютеры в будущем будут использоваться для решения задач, с которыми не могут справиться привычные нам электронные вычислительные машины. Это, например, моделирование природных процессов или очень сложные математические расчеты.
В комагнитометре сравнивались частоты прецессии спинов атомов 3He и 39K. Эти ограничения являются более сильными, чем полученные раннее астрофизические ограничения по SNO-циклу в Солнце и по охлаждению нейтронных звёзд , и на два порядка улучшают прежние лабораторные ограничения.
Изначально аксионы были предложены для объяснения сильного CP-нарушения в Стандартной модели. Хотя состав тёмной материи во Вселенной пока неизвестен, аксионы остаются одиним из вероятных кандидатов на роль частиц скрытой массы. Friedrich Вюрцбургский университет, Германия и соавторов впервые идентифицированы квазичастицы спинароны, предсказанные S. Lounis и др. Они представляют собой магнитные поляроны, возникающие в результате взаимодействия спиновых возбуждений с электронами проводимости. Ранее для отдельных атомов Co и Ce на плоских металлических поверхностях наблюдались интересные спектроскопические аномалии туннельного тока при нулевом потенциале смещения. Хотя для атомов Ce было найдено объяснение таких аномалий как колебательных возбуждений атомов водорода, прикрепляющихся к атомам Ce, для Co это объяснение оказалось неприменимо. В случае атомов Co аномалии интерпретировались как эффект Кондо коллективное экранирование спинов примесей электронами проводимости и резонанс Фано.
Новые теоретические вычисления методом функционала плотности и эксперимент F. Friedrich и др.
Сравнивать скорость работы Frontier со скоростью работы вашего ноутбука, это как сравнивать скорость улитки и сверхзвукового истребителя", — отметил профессор машиностроения и физики Массачусетского технологического института Сет Ллойд. А все потому, что в основе японского чуда — не обычные процессоры, а квантовые. Ведь большинство квантовых компьютеров могут работать только при температурах, близких к абсолютному нулю, когда все замедляется и "шум" окружающей среды минимален", — рассказал руководитель группы экспериментальных квантовых вычислений компании — производителя квантовых компьютеров Джери Чоу. Но дело не только в размерах. В классических ЭВМ информация зашифрована в битах, то есть в нулях и единицах, а в квантовых — в кубитах. Один кубит — это атом или фотон — мельчайшая частица вещества или энергии. Причем она одновременно может быть как нулем, так и единицей.
Как говорят ученые, такая запутанность позволяет квантовым компьютерам, что называется, "думать" в миллиарды раз быстрее. Они позволяют получить не только количественные результаты за счет ускорения процессов, но и качественные, обеспечивая лучшую адаптацию в средах и ситуациях. Это означает, что квантовые роботы более креативны", — говорит директор кафедры квантовой динамики Института квантовой оптики Общества Макса Планка Герхард Ремпе. Однако многие видят в них угрозу, ведь они будут в состоянии не только делать за человека механическую работу, но и легко заменят представителей творческих специальностей. Но не все так плохо: всемогущие кванты могут стать и нашими защитниками. Что такое квантовый ключ и как он защитит от мошенников С телефонными мошенниками хоть раз сталкивался каждый. Их главная задача — узнать секретную информацию.
Квантовые технологии
Чувствуешь, что достиг в своей школе потолка? Мечтаешь побеждать на олимпиадах и поступить в топовый вуз? СУНЦ НГУ новосибирская ФМШ — это целая экосистема при Показать ещё Новосибирском госуниверситете, которая организована по принципу школы-интерната и объединяет фундаментальное образование и современные технологии обучения. Здесь естественнонаучные и точные дисциплины изучаются по программам повышенной сложности, а школьники погружаются в творческую атмосферу реальной науки. Преподаватели школы — ученые из новосибирского Академгородка.
Он отметил, что особую ценность представляет то, что в 2023 году впервые сразу на нескольких платформах физикам удалось экспериментально продемонстрировать то, что увеличение числа физических кубитов, входящих в состав логических квантовых битов, действительно улучшает качество работы и стабильность этих ячеек памяти и элементарных вычислительных блоков квантового компьютера. Другим важным "квантовым" физическим прорывом года, как добавил директор Международного центра теоретической физики имени Абрикосова Москва Алексей Кавокин, было создание австрийскими физиками первого в мире квантового повторителя сигналов на базе ионов кальция. По его словам, эта разработка значительно приблизила мир к созданию всемирной сети квантовых коммуникаций и к разработке распределенных квантовых вычислительных систем, чьи компоненты удалены друг от друга на очень большие расстояния. О квантовой коррекции ошибок Многие физики в настоящее время предполагают, что дальнейшее развитие квантовых компьютеров потребует создания систем, способных автоматически находить и корректировать случайные ошибки в их работе.
Подробнее здесь.
Разработан первый в мире квантовый аналог механического двигателя 28 сентября 2023 года японские исследователи из Окинавского института науки и технологий OIST сообщили о создании первого в мире квантового аналога механического двигателя. В работах приняли участие немецкие ученые из Технического университета Кайзерслаутерна-Ландау и Штутгартского университета. Предложенная концепция для получения энергии использует принципы квантовой механики вместо традиционного воспламенения топлива — как происходит, например, в двигателе внутреннего сгорания. Авторы проекта предложили задействовать охлажденные фермионы и бозоны в качестве основы для «квантовых двигателей», способных преобразовать энергию этих частиц в механическую работу.
На ней генерировались таммовские плазмоны с длинами волн 738-1504 нм. Непрерывная перестройка по частоте осуществлялась путём изменения структуры слоёв Sb2S3 от аморфных до кристаллических при электрическом нагреве. Лазерное излучение фокусировалось на образец с помощью линзы, и через ту же линзу наблюдался отклик рамановского рассеяния. Эксперимент показал перспективность данного устройстава как масштабируемой биосенсорной платформы для различных применений в клинической диагностике. В частности, устройство может регистрировать молекулы хромофора на волне 385 нм, и его работа была продемонтрирована для регистрации одного из белков-биомаркеров, важных для кардиологии. Nature Communications 14 7085 2023 Сверхмассивные чёрные дыры в ранней Вселенной 1 декабря 2023 Гравитационное поле массивных объектов, находящихся на луче зрения, фокусирует свет подобно линзе, и данный эффект помогает наблюдать небольшие галактики на значительном расстоянии.
ЧД звёздного происхождения не успели бы нарастить свою массу до указанной величины, а модели с прямым гравитационным коллапсом массивного газового облака пока не исключены, но также сталкиваются с проблемой нехватки динамического времени. Зельдовичем и И. Новиковым в 1966 г [6] и обсуждавшиеся позднее в работе С. Хокинга [7]. Nature Astronomy, онлайн-публикация от 6 ноября 2023 г. Novikov I.
Квантовые технологии
Последние новости на сегодня. Физик признал некорректным сравнение квантовой запутанности с парой носков. Китайские физики объявили о доказательствах существования новой субатомной частицы, обнаруженной при распаде (J/psi)-мезона на пару положительных и отрицательных пионов. 6 мая 2021 Новости. Еще один шаг к квантовому компьютеру: физики впервые показали конденсацию «жидкого света» в полупроводнике толщиной всего в один атом. Международная группа физиков, в которую вошел руководитель лаборатории оптики спина СПбГУ профессор. Нобелевскую премию по физике дали за новаторство в квантовой информатике Награды удостоились француз Ален Аспе, американец Джон Клаузер и австриец Антон Цайлингер. Физики из Китая, например, создали квантовый компьютер, работающий на фотонах, и за 200 секунд он провел бозонную выборку — это мегасложное вычисление, на которое могло уйти полмиллиарда лет работы самого быстрого суперкомпьютера.
В Китае создан 504-кубитный чип для квантового суперкомпьютера. На подходе 1000-кубитный
В этой теме собраны новости о теоретических и практических достижениях квантовой физики. 6 мая 2021 Новости. Еще один шаг к квантовому компьютеру: физики впервые показали конденсацию «жидкого света» в полупроводнике толщиной всего в один атом. Международная группа физиков, в которую вошел руководитель лаборатории оптики спина СПбГУ профессор. На сайте собрана основная информация о главных новостях, инициативах, проектах и мероприятиях Десятилетия науки и технологий.
Новости физики в Интернете
И хотя физики давно догадывались об их существовании, статус реальных космических обитателей черные дыры получили несколько лет назад. Открытие гравитационных волн в 2017 году и первый снимок черной дыры 2019 год ознаменовали собой новую эру космических исследований — в самом ближайшем будущем мы узнаем много нового о Вселенной и существующих на ее просторах объектах. Так, недавно в журнале Physical Review Letters вышла статья, авторы которой утверждают что эти космические монстры обладают уникальными и причудливыми квантовыми свойствами.
У России большой научный потенциал в области математики, программирования, физики и квантовой механики», — считает Семенников.
На квантовый мир мы смотрим с позиции разработчика, рассказал заместитель генерального директора холдинга Т1 по технологическому развитию Антон Якимов. Квантовый объем 100-200 кубитов не кажется недостижимым для 2025 г. Однако, по его мнению, вопрос больше в практической плоскости: через какое время такие облачные вычислительные мощности станут доступны для рынка на понятных условиях по модели Quantum-Computing-as-a-Service.
Имеется в виду то, над чем сейчас работает РКЦ. Как же это работает Какие же свойства так привлекают исследователей со всего света? В классическом компьютере единицей хранения информации является бит, который в зависимости от наличия или отсутствия напряжения принимает значение 0 или 1.
В КК роль основной единицы в квантовых вычислениях играют квантовые биты, или кубиты. Они отличаются от обычных битов тем, что могут равняться 0, 1 или находиться в суперпозиции. Что такое квантовая суперпозиция, чаще всего объясняют на примере подброшенной в воздух монетки.
Пока она летит, для бросавшего монета находится в суперпозиции: ее значение и орел, и решка. Суперпозиция сохраняется, пока монетку не поймали и не определили, что выпало. Еще один пример — кот Шредингера.
Суперпозиция — это состояние кота, пока не открыли крышку ящика, то есть кот жив и мертв одновременно. В КК суперпозиция сохраняется, пока не производится вычисление кубита, или измерение его состояния: 0 или 1. Именно благодаря этому свойству расчеты на КК производятся быстрее, чем на классических компьютерах.
Однако для выполнения сложных алгоритмов на КК важно, чтобы значения одних кубитов были связаны со значениями других. В этом помогает такое явление, как квантовая запутанность. В нем состояния двух или большего числа частиц оказываются взаимосвязанными и их значения всегда противоположные.
Если у одной частицы значение 0, то у другой, «запутанной» с ним, гарантированно будет 1. Нередко для объяснения запутанности приводится пример с новой парой носков, когда один, надетый на левую ногу и ставший левым, автоматически превращает свою пару в правый, как бы далеко тот ни находился, причем происходит это моментально.
Другой пример: учёные МГУ и РФЯЦ-ВНИИЭФ запускают проект по созданию квантовой космической связи — платформы с небольшими низкоорбитальными спутниками, которые обмениваются с наземным терминалом квантовой информацией для обеспечения безопасной связи. Эта перспективная технология решает проблемы защищенной передачи информации на большой территории России; выведение первого пробного спутника на орбиту запланировано в 2024 году.
Мы идёт по пути развития квантовой криптографии - квантового распределения ключе - вплоть до создания квантового интернета. Система работает полностью в автоматическом режиме, когда нет системного администратора, через которого могла бы произойти утечка информации; скорость генерации ключей может быть очень высокой, мастер-ключ может меняться тысячу раз в секунду, хотя и раз в минуту — вполне достаточная скорость для большого числа приложений, — отметил научный руководитель Центра квантовых технологий МГУ Сергей Кулик. Физик кратко упомянул и развитие технологий квантовой сенсорики — измерительных приборов на основе квантовых эффектов. Научная программа НЦФМ включает три направления исследований, посвящённых развитию вычислительных и информационных технологий.
В рамках НЦФМ специалисты развивают одну из квантовых субтехнологий — квантовые коммуникации. Планируется создать квантовую сеть на основе сертифицированного оборудования, а также существенно продвинуться в области квантовой космической связи. В марте 2023 года состоялсяexternal link, opens in a new tab первый научный семинар НЦФМ, посвящённый развитию технологии рентгеновской литографии в России. На втором научном семинаре НЦФМ была представленаexternal link, opens in a new tab новая квантовая модель вращающихся чёрных дыр.
Сравнивать скорость работы Frontier со скоростью работы вашего ноутбука, это как сравнивать скорость улитки и сверхзвукового истребителя", — отметил профессор машиностроения и физики Массачусетского технологического института Сет Ллойд. А все потому, что в основе японского чуда — не обычные процессоры, а квантовые. Ведь большинство квантовых компьютеров могут работать только при температурах, близких к абсолютному нулю, когда все замедляется и "шум" окружающей среды минимален", — рассказал руководитель группы экспериментальных квантовых вычислений компании — производителя квантовых компьютеров Джери Чоу. Но дело не только в размерах. В классических ЭВМ информация зашифрована в битах, то есть в нулях и единицах, а в квантовых — в кубитах.
Один кубит — это атом или фотон — мельчайшая частица вещества или энергии. Причем она одновременно может быть как нулем, так и единицей. Как говорят ученые, такая запутанность позволяет квантовым компьютерам, что называется, "думать" в миллиарды раз быстрее. Они позволяют получить не только количественные результаты за счет ускорения процессов, но и качественные, обеспечивая лучшую адаптацию в средах и ситуациях. Это означает, что квантовые роботы более креативны", — говорит директор кафедры квантовой динамики Института квантовой оптики Общества Макса Планка Герхард Ремпе.
Однако многие видят в них угрозу, ведь они будут в состоянии не только делать за человека механическую работу, но и легко заменят представителей творческих специальностей. Но не все так плохо: всемогущие кванты могут стать и нашими защитниками. Что такое квантовый ключ и как он защитит от мошенников С телефонными мошенниками хоть раз сталкивался каждый. Их главная задача — узнать секретную информацию.
#квантовая физика
Знай наших квантовая физика. В НИТУ МИСиС создали алгоритм для моделирования работы полупроводниковых лазеров НОВОСТИ Знай наших. 6 мая 2021 Новости. Еще один шаг к квантовому компьютеру: физики впервые показали конденсацию «жидкого света» в полупроводнике толщиной всего в один атом. Международная группа физиков, в которую вошел руководитель лаборатории оптики спина СПбГУ профессор. На сайте собрана основная информация о главных новостях, инициативах, проектах и мероприятиях Десятилетия науки и технологий. Новости компаний. В 1990–2013 годах занимался экспериментальной физикой в университете Инсбрука и Венском университете. В 2004–2013 годах возглавлял Институт квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI) Австрийской академии наук.
Нобелевская премия по физике — 2022
Изменения в одной из них мгновенно влияют на другую, независимо от расстояния. Понимание запутанности имеет решающее значение для использования истинной силы квантовых компьютеров. Ранее создание и изучение конкретных запутанных состояний в мультикубитных системах было чрезвычайно сложной задачей. Однако новая методика предлагает решение.
Goldman Sachs видит потенциальные направления деятельности для квантовых компьютеров: ускорение расчетов методом Монте-Карло - сложных алгоритмов, используемых для оценки стоимости и рисков деривативов и других ценных бумаг, применение квантовых расчетов для оптимизации портфеля инвестиций, машинное обучение для борьбы с отмыванием денег. Мнения экспертов "Мы еще не достигли той стадии, когда квантовый компьютер улучшит показатели любой компании, не занимающейся квантовыми технологиями", - говорит Ryan Babbush, руководитель отдела квантовых алгоритмов и приложений в подразделении Google компании Alphabet. Тем не менее, уже сегодня есть реальные примеры использования квантовых компьютеров. С 2016 года компания IBM: построила более 30 квантовых компьютеров, более 20 из них сейчас работают в режиме онлайн, организовала доступ к квантовым компьютерам через Интернет. У нас в сети больше квантовых компьютеров, чем во всем остальном мире вместе взятом". За этим направлением гонится множество очень умных людей с большим капиталом.
Simone Severini, директор по квантовым технологиям в Amazon Web Services: "Еще предстоит проделать значительную научную и инженерную работу, прежде чем мы получим масштабные квантовые вычисления. Мы видим растущий интерес со стороны клиентов, которые хотят изучить эту технологию. Но еще слишком рано говорить об успешных технологических подходах". Генеральный директор IonQ Pete Chapman говорит: "...
Их взаимодействие как раз и определяет современное развитие физической науки. Объект наблюдения в квантовой физике зависит от наблюдателя. В зависимости от присутствия или отсутствия смотрящего электроны могут вести себя как частицы или волны. Этот парадокс назвали «эффектом наблюдателя». В теории относительности такой зависимости нет. Законы причины и следствия не работают в квантовой физике, и это тоже противоречит учению Канта. Многие воспринимают квантовую физику как некий мистический мир. По этой причине даже появился парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена, указывающий на неполноту квантовой механики. Если продолжать разговор об объекте и наблюдателе в разрезе изучения космоса, то, следуя «Критике чистого разума» Канта, можно сделать вывод, что вселенная смотрит на саму себя, — добавил доктор Штайн. Ведь Луна существует не только потому, что вы на нее смотрите. Она будет существовать даже когда вас не станет, ведь на нее смотрит вся Вселенная.
Если неравенства не выполняются, частицы можно считать запутанными. Эксперименты, которые доказали нарушение неравенств Белла, первым провел американец Клаузер. Заслуга француза Аспе состоит в том, что ему удалось доказать, что неравенства действительно не выполняются. Австриец Цайлингер смог экспериментально показать возможность квантовой телепортации, то есть изменение квантового состояния частицы из запутанной пары при изменении состояния другой, которая находится далеко от нее. Запутанные частицы влияют на состояние друг друга, даже если между ними больше тысячи километров. В 2021 году Нобелевской премией по физике были награждены Джорджио Паризи за открытие взаимодействия между беспорядком и флуктуациями в физических системах, а также Клаус Хассельман и Сюкуро Манабе за физическое моделирование климата Земли.
Квантовая механика
В молодости Цайлингер занимался нейтронной интерферометрией, но потом прочно переключился на квантовую оптику и основания квантовой механики. За что и был награжден Нобелевской премией. Кое-что о квантовой спутанности Термин «квантовое спутывание» КС, quantum entanglement в постановлении Шведской академии не прочитывается. Однако работы новых лауреатов так или иначе связаны с теоретическим и экспериментальным освоением того свойства квантовых систем, которое он кодирует. С английского его также переводят и как «квантовое запутывание» и «квантовая запутанность», но мне больше нравится первая версия. Так что начать нам придется с обсуждения тех физических сущностей, которые за этим эффектом кроются. Вообще-то представление о квантовой спутанности появилось без малого 90 лет назад, а в неявном виде оно возникло еще во второй половине 1920-х годов.
Однако в рабочий инструмент теоретической физики КС стало превращаться значительно позже, где-то в середине седьмого десятилетия прошлого века. И процесс этот поначалу был довольно медленным. Первые эксперименты, продемонстрировавшие реальность КС, были выполнены в 1970-е годы, а решающие — лишь в 80-е. Сначала этим эффектом занималась лишь горстка ученых, пытавшихся лучше понять, что нового внесла квантовая механика в наши представления о физической реальности. В последнее время интерес к КС сильно возрос, поскольку она является физической основой разработки квантовых компьютеров и сетей квантовых коммуникаций. Сообщения о том, что физики-экспериментаторы изготовили спутанные состояния новых и новых конфигураций частиц, нередко попадают не только в научные журналы, но и в СМИ.
Как сказал бы полковник Скалозуб , чтобы понять КС, есть многие каналы. Можно дать формальное определение этого феномена оно не так уж и сложно и немедленно перейти к конкретным иллюстрациям. Однако такое изложение оставило бы за кадром поистине драматические события в истории физики, отмеченные именами ее величайших творцов. Поэтому начнем действительно ab ovo, с середины тридцатых годов двадцатого столетия. ЭПР-парадокс Квантовая механика вошла в пору зрелости удивительно быстро. Ее возраст принято отсчитывать от публикаций основополагающих работ Вернера Гейзенберга и Эрвина Шрёдингера в 1925—26 годах.
Всего через десять лет новая теория превратилась в общепризнанную основу понимания явлений микро- и макромира в очень широком спектре областей от ядерной физики до теории твердого тела. К тому времени квантовая механика получила строгий математический формализм прежде всего благодаря гению Поля Дирака и была неоднократно подтверждена экспериментально. Теория столь уверенно двигалась от успеха к успеху, что практически все физики стали принимать ее как истину в последней инстанции. Казалось, что эту уверенность подтверждает и строгий математический анализ. В 1932 году великий математик Иоганн в американской эмиграции Джон фон Нейман опубликовал фундаментальную монографию «Математические основы квантовой механики». В этой книге он сформулировал теорему, из которой, по его мнению, следовало, что любая адекватная теория элементарных процессов может давать только статистические предсказания.
По его словам, если бы детерминистская теория этих процессов оказалась возможной, квантовая механика должна была быть «объективно ложной», а никакие экспериментальные данные не позволяли сделать такой вывод. Эту теорему часто интерпретировали как доказательство невозможности теорий микромира, основанных на предположении, что присущее квантовой механике вероятностное описание реальности можно превратить в детерминистское. Для этого предполагалось ввести в теоретический аппарат физики дополнительные величины, описывающие поведение микрообъектов на более глубоком уровне, нежели квантовый. Эти гипотетические величины получили название скрытых переменных, или скрытых параметров. Однако через несколько лет после публикации книги фон Неймана в этой теореме обнаружили довольно элементарную ошибку. Фон Нейман предполагал как аксиому, что среднее значение суммы операторов квантовой механики, которые соотносятся с физически наблюдаемыми динамическими величинами на языке математики такие операторы называются самосопряженными, или эрмитовыми , должно равняться сумме их средних значений.
Эта посылка оправдана в том случае, если эти наблюдаемые величины могут быть измерены в совместимых друг с другом экспериментах. Однако она не работает в случае, если измерения каждой их двух наблюдаемых взаимно несовместимы, поскольку тогда определение их суммы теряет физический смысл. Эту проблему в принципе можно преодолеть с помощью дополнительных измерений на другой аппаратуре, которые могут определить новую наблюдаемую, соответствующую этой сумме. Но это потребует введения еще одного оператора, о котором в теореме фон Неймана ничего не говорится. В итоге доказательство фон Неймана теряет силу. Интересно, что первой к такому выводу пришла в 1935 году ученица великого математика Эмми Нётер Грета Герман Grete Hermann , но ее работа была опубликована в малоизвестном философском журнале и потому физики ее просто не заметили.
В профессиональном сообществе уязвимость теоремы фон Неймана была осознана только в 1950-е годы. Однако у квантовой механики и раньше имелись критики — и прежде всего Альберт Эйнштейн. Ему не нравилось в ней многое: принципиально вероятностный характер, гейзенберговское соотношение неопределенностей и вытекающая из него невозможность одновременного определения координат и скоростей частиц, отсутствие ясности в решении проблемы квантовомеханических измерений. Но больше всего Эйнштейна раздражала несовместимость его собственных представлений о физической реальности с так называемой копенгагенской интерпретацией квантовой механики , предложенной Нильсом Бором и его единомышленниками. Согласно Бору, состояние любой квантовой системы нельзя рассматривать безотносительно к аппаратуре, с помощью которой получена информация о ее поведении. Теория в состоянии предсказать вероятности тех или иных исходов измерений квантовомеханических объектов, но ровно ничего не может сказать о том, каковы же значения измеряемых величин «на самом деле» — строго говоря, сам этот вопрос по сути беспредметен.
Состояние «неизмеренной» системы не просто неизвестно — оно вообще не определено, а посему и рассуждать о нем не имеет смысла. Эйнштейна не устраивала подобная логика, и он всячески пытался ее опровергнуть. Для этого он изобретал воображаемые опыты, которые Бор успешно интерпретировал в свою пользу. Однако Эйнштейн не отступал. В 1935 году, уже работая в США в принстонском Институте фундаментальных исследований, он опубликовал описание очередного мысленного эксперимента, который, по его расчетам, неопровержимо доказывал ущербность квантовой теории. Эта модель послужила предметом долгих дискуссий Эйнштейна со своим ассистентом Натаном Розеном и коллегой по институту Борисом Подольским , уроженцем Таганрога и бывшим руководителем отдела теоретической физики харьковского Физико-технического института.
Статья, фактически написанная Подольским, появилась за подписями всех троих ученых A. Einstein, B. Podolsky and N. Rosen, 1935. Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete? Именно эта работа, которую цитируют под аббревиатурой ЭПР, проложила путь к концепции квантового спутывания.
В свое время она не вызвала особого резонанса, однако сегодня ее относят к числу самых глубоких исследований теоретической физики двадцатого столетия. Фото из статьи O. Rousselle, 2019. Foundations of quantum physics and wave mechanics Эйнштейн, Подольский и Розен исходили из двух предпосылок, которые они считали самоочевидными. Во-первых, любой атрибут физической системы, который можно предсказать со стопроцентной вероятностью, не возмущая эту систему в процессе измерений, является, по определению, элементом физической реальности. Во-вторых, полное описание системы должно включать в себя сведения обо всех таких элементах естественно, ассоциированных именно с этой конкретной системой.
Далее следует сам мысленный эксперимент. Предположим, что мы изготовили пару одинаковых частиц A и B, которые в начальный момент начинают движение в строго противоположных направлениях с равными импульсами и, следовательно, скоростями такая операция возможна и в сфере действия квантовой механики. Принцип неопределенности не позволяет одновременно точно измерить положение и импульс каждой частицы в любой из последующих моментов, но это и не требуется. Позволим квантовым близняшкам удалиться друг от друга подальше, а затем, когда нам это заблагорассудится, определим координаты частицы A, что в идеале можно сделать с нулевой погрешностью. Тем самым мы немедленно получаем стопроцентно достоверную информацию о том, где находилась в тот же момент и частица B. Отметим, что наша аппаратура взаимодействовала исключительно с частицей A, а состояние второй частицы оставалось невозмущенным.
Следовательно, положение частицы B следует счесть элементом физической реальности. Вместо того, чтобы выяснять координаты частицы B, мы можем измерить ее импульс, причем опять-таки идеально точно. Поскольку суммарный импульс пары равен нулю, мы автоматически узнаем и величину импульса частицы A, ни в коей мере ее не трогая. Следовательно, и эта величина — элемент физической реальности. Однако уравнения квантовой механики позволяют вычислить положение и импульс частицы лишь приближенно, с той степенью точности, которую допускает соотношение неопределенностей. А если это так, делают вывод ЭПР, то квантовомеханическое описание реальности не является полным.
По замыслу ученого, если неравенство выполняется, значит, в системе есть скрытые параметры. Доказать это могли бы статистические эксперименты: в случае наличия или отсутствия скрытых параметров вероятность состояний будет отличаться. Недостаток теории заключался в том, что для ее доказательства необходимо было бы провести тысячи экспериментов, чтобы собрать достаточно статистических данных. Это стало возможно только сильно позже, когда появилось оборудование для фиксации состояния экспериментальных фотонов. Американский физик Джон Клаузер предложил эксперимент для проверки неравенства Белла, благодаря которому ему в 1972 году удалось доказать, что неравенства не выполняются, а значит, скрытых параметров нет. Однако работа на этом не завершилась. Клаузер и другие ученые продолжили искать ответы на некоторые спорные моменты.
Костер дает тепло и разгоняет мрак вокруг. Люди грелись у костра с начала времен, и даже в наш век скоростей, электричества и фастфуда многие из нас находят время чтобы выйти из города, и посидеть на полянке у костра. И один раз почувствовав магию живого огня - хочется возвращаться к нему снова и снова.
Основные законы квантовой физики изучаются в рамках квантовой механики и квантовой теории поля и применяются в других разделах физики. Все современные космологические теории также опираются на квантовую механику, которая описывает поведение атомных и субатомных частиц. Квантовая физика сосредоточена только на математическом описании процессов наблюдения и измерения точнее формулы. Знаете, в жизни многих из нас было одно впечатление, которое с детства и надолго определяло способ мышления. Это впечатление можно назвать так: «космос — обалденный».
Какие препятствия есть у квантовой науки, чтобы перейти из плоскости теории и чисто научных изысканий к созданию реального продукта, меняющего общество? В общем и целом сейчас есть два основных препятствия. С одной стороны, квантовые технологии развивать сложно, здесь много есть сложных наукоёмких вопросов, на которые ещё предстоит найти ответы. Например, мы до сих пор ищем ту элементную базу, тот физический принцип, на котором квантовые компьютеры будут построены. Если в какой-то момент в микроэлектронике мы стали использовать кремниевые интегральные схемы и пошли по пути их совершенствования и масштабирования, здесь этот аналог ещё не найден. В данный момент мы идём по нескольким направлениям. В Дорожной карте выделены четыре основные направления: атомы, ионы, фотоны и сверхпроводники. Важно отметить, что до конца никто не знает, какое направление станет лидером. Может быть один победитель, а может быть и несколько: например, квантовые компьютеры на различных физических принципах будут решать разные задачи. При этом ожидания уже очень высоки. Государственные и частные компании по всему миру, заинтересованные люди ждут появления коммерческих квантовых компьютеров. Поэтому область в каком-то смысле находится между двух огней. С одной стороны — необходимость решать сложные задачи, а с другой — завышенные ожидания, которые поторапливают учёных. Как вообще может измениться общество и мир с развитием этих технологий? Что касается изменения жизни, при появлении масштабируемого квантового компьютера станет возможным решение самых разных сложных задач, принципиально недоступных для классических суперкомпьютеров. Искать новые материалы, моделируя их на квантовом уровне, новые типы батарей, лекарств, новые способы получения различных химических соединений. Очень точно измерять параметры окружающей среды. Решать сложные оптимизационные задачи — для такой страны, как Россия, те же логистические задачи приводят к очень большому эффекту в связи с масштабом. Или построить новые методы долгосрочной защиты информации на основе квантовой и постквантовой криптографии, которые будут устойчивы к широкому классу атак, поскольку их надёжность сводится к фундаментальным законам физики. А это, с учётом тренда на рост количества данных, требующих защиты, очень важно. А не оставит ли широкое внедрение квантовых технологий без работы каких-то специалистов? Пока сложно себе это представить. Пока что это инструмент для решения сложных вычислительных задач, и на этом этапе человек для программирования квантового компьютера будет необходим. Сможет ли он сделать какие-то рутинные задачи более лёгкими в исполнении — да, как и искусственный интеллект. Но как мы видим на примере ИИ, даже с ним пока не произошло массового высвобождения человеческого ресурса. Люди просто переквалифицируются на более сложные и творческие задачи, с квантовыми технологиями произойдёт нечто похожее. Одной из тем ваших научных изысканий был квантовый блокчейн. В чём преимущества квантового блокчейна перед обычным и где его можно применять? Как раз потому, что технология блокчейн в какой-то момент набрала очень большую популярность, мы обратили на неё внимание. Нам было интересно понять перспективы развития и внедрения этой технологии. Основной хайп вокруг блокчейна был связан с приписываемой ему большой степенью защищённости данных, прозрачности и т. Но когда мы стали подробно анализировать, стало понятно, что все эти замечательные свойства так или иначе сводятся к определённым криптографическим элементам, например цифровым подписям, механизмам консенсуса. Таким образом блокчейн оказывается устойчив ровно в той мере, в какой устойчива его криптография. А одно из применений квантовых компьютеров — возможность быстрого криптоанализа попросту говоря, взлома , сводящая на нет защищённость многих традиционных криптографических алгоритмов. И многие традиционные блокчейны неустойчивы перед атаками квантовых компьютеров. И мы поняли, что при построении блокчейнов нужно использовать метод с использованием квантовых же технологий, конкретно — квантовых цифровых подписей или постквантовой криптографии, которые делают блокчейн устойчивым перед такими атаками. И вот это сочетание квантов и блокчейна даёт нам эффект, гарантирующий долгосрочную информационную безопасность. Одна из форм предложенного нами квантового блокчейна в пилотном режиме была развернута на одной межбанковской платформе и использовалась для защиты транзакций. Его индустриальное применение станет возможным, когда появятся квантовые сети достаточного масштаба. Верно ли, что с появлением таких сетей придётся довольно быстро реформировать всю IT-сферу? Нам же потребуется новая безопасность, новая криптография, чтобы существование квантовых компьютеров не становилось глобальной угрозой… Да, это так. Я бы даже сказал более радикально: даже без распространения квантовых компьютеров такая необходимость просматривается. Уже зная о возможности такой угрозы, необходимо уже сейчас принимать её во внимание и думать о соответствующих изменениях принципов построения информационных систем. Одна из вещей, которая делается прямо сейчас на государственном уровне в ведущих странах мира, — стандартизация решений, устойчивых к квантовому взлому. То есть квантовых ключей и квантовой криптографии.