Все, що ви хотіли знати про квантовий світ: квантові комп’ютери, сплутаність, телепортація та ефект спостерігача

Квантовий світ все більше пронизує наш звичний макросвіт завдяки зусиллям науковців та інженерів. Science Ukraine, відповідаючи на питання читачів, пропонує розглянути найбільш визначні явища квантового світу, які так і хочуть перевернути його догори дриґом.

Ефект спостерігача. Природа чекає, коли ми на неї “поглянемо”.

Про “ефект спостерігача” стало відомо минуло сторіччя, коли народжувалась квантова механіка. З того часу фізики та філософи не могли зупинити свою збуджену уяву. І хоча у 1998 році науковці остаточно підтвердили існування цього явища на прикладі з електронами, у мережі можна знайти чимало спекуляцій на цю тему.

ефект спостерігача інфографіка
Ефект спостерігача – принцип. Джерело: Quantum Magic Group

Класичним експериментом, що демонструє екстравагантну поведінку природи стосовно квантів, є експеримент на пластині з двома розрізами. Коли відбувається спостереження людиною або вимірювання параметрів частинки спеціальними пристроями, щось викликає зміни у її початковому стані. Фізики називаються це ефектом спостерігача, а широкому загалу більш відома історія з Котом Шредінґера.

Вплив спостерігача виявляє себе й у звичайному макросвіті. Наприклад, присутність термометра певно змінить показники температури, оскільки сам пристрій підвищить або знизить температуру через власне тепло.

Уявіть, що ви осліпли та з часом навчились визначати наскільки далеко знаходяться об’єкти довкола за допомогою особливої техніки — кидання у них медичного м’яча. Якщо ви кинете м’ячика у найближчий стілець, він повернеться досить швидко, і ви зрозумієте, що він стоїть поряд. Якщо ви кинете м’яча кудись через дорогу, м’яч повернеться з довшою затримкою, і ви будете знати, що об’єкт далеко.

Проблема полягає у тому, що коли ви кидаєте м’яч — особливо такий важкий, як медичний, — він може влучити у щось на кшталт стільця та навіть мати достатньо моменту, щоби відскочити назад. Ви зможете сказати, де був стілець, проте не знатимете, де він зараз. До того ж, ви можете розрахувати швидкість стільця після зіткнення, однак, ви й гадки не матимете, яка була швидкість стільця перед зіткненням.

Коли справа стосується низьких рівнів енергії, з’являється проблема: світло, яке дозволяє нам спостерігати об’єкти, саме по собі достатньо потужне, щоби змінити все довкола. У цій аналогії світло виступає тим самим важким медичним м’ячиком. Світло має достатньо енергії, щоби змінити стан квантової системи.

Експеримент Юнга
Експеримент Юнга на пластині з одним та двома розрізами. У випадку, якщо лазер генерує по одному фотону, спостереження за подією призведе до згортання квантового стану фотона, і він відбивається на пластині як окрема точка. У іншому випадку (без спостерігача) фотон, проходячи через розріз, інтерферує як хвиля, а на пластині формується інтерференційна картина максимумів та мінімумів від накладення хвиль (окремий фотон “наче розкладаєтьс” на декілька, але насправді поводить себе, як хвиля)

Будь-яка спроба виміряти щось на квантовому рівні, призведе до моментальної зміни початкового стану того, що ви збираєтесь виміряти. Можливо, це не така вже й велика проблема, однак часом (як в експерименті Юнга з пластиною) це викликає справжні труднощі. Іншими словами, сам факт спостереження нічого не змінює, але природа того, як ми це спостерігаємо, викликає так званий “ефект спостерігача”.

Квантова телепортація

Квантова фізика продовжує бути бурхливим середовищем, звідки чи не щомісяця “вилітають” нові відкриття. Нещодавно дослідники з Національного інституту стандартів і технології США повідомили про встановлення нового рекорду з відстані квантової телепортації. За словами дослідників, їм вдалось передати квантову інформацію з фотонами на відстань понад 100 км.

квантова телепортація інфографіка
Експеримент з квантової телепортації NIST. Інфографіка Science Ukraine. Джерело: www.nist.gov

Цей експеримент демонструє можливості квантових явищ, зокрема квантової сплутаності, для миттєвої передачі інформації. Дослідники NIST використали квантові стани фотонів, щоби встановити їх чітке розташування у часових інтервалах. У цьому випадку інформація квантового стану, яка кодується “кубітом”, була закодована у свого роду часових позначках. Для цього вони випустили один фотон, який випадково обирав напрямок руху з поміж двох шляхів: короткого та довгого з довжиною 100 км. Хоча кожен маршрут був випадковим, він позначав стан кожного фотона як “рано” та “пізно”, в залежності від його реєстрації детектором.

Оскільки стан фотонів є повністю випадковим, вони можуть бути в будь-якому з двох часових станів. Якщо, в результаті одного часу проходження, фотон “у фазі” а суперпозиція квантових станів залишається такою ж, то піки хвиль будуть синхронізовані й сигнал буде проходити до кінця. Якщо, з іншого боку, вони не збігаються по фазі, то піки будуть накладатися з мінімумами хвилі, і вони будуть повністю компенсувати одне одного.

ядро квантового комп'ютера
Ядром квантового комп’ютера є кристал, який генерує сплутані пари квантів.

Першим кроком в процесі телепортації є створення фотона в суперпозиції всіх можливих станів. Потім його вистрілюють у кристал-розділювач (поляризатор), де фотон розщеплюється на два заплутаних фотони (у NIST їх назвали “допоміжним” та “вихідним” фотонами). Другий фотон (випадковим чином кодується з “кінця” або “ранньої” мітки часу) генерується одночасно і вистрілюється у в розділювач променя у той же час, як прибуває “допоміжний” фотон. Два детектори в цій точці визначають, чи знаходяться допоміжний та вхідний фотон у одній фазі, чи ні.

Оскільки допоміжний фотон сплутується з вихідним фотоном, коли вихідний фотон досягає кінця свого довгого шляху через оптичне волокно, він досягає детектора та віддзеркалює стан його сплутаного двійника. Таким чином, суперпозиція сплутані пари – у фазі / у протифазі може бути визначена, щоби перевірити, що квантові стани залишилися недоторканими, а квантова інформація була надійно передана.

У двох словах, застосування такого методу кодування у майбутньому стане частиною нового “квантового інтернету”, який буде складатися з оптичних мереж. Якщо вам цікаве саме дослідження, публікацію науковців можна знайти за цим посиланням.

Як сплутати квантові частинки

Сплутування квантової системи пов’язане з ефектом спостерігача. Щоби зрозуміти принцип сплутування квантових частинок, необхідно уявити себе власне самими фізиками у лабораторії. Захопливо, чи не так?

Квантове сплутування
Айнштайн називав квантове сплутування “примарною взаємодією на відстані”. Сенс у тому, що частинки залишаються пов’язаними, навіть якщо їх віднесли у різні частини Всесвіту.

У квантовій фізиці невидимий зв’язок між квантовими частинками виявляється цілком реальним. Якщо впливати на одну з двох сплутаних частинок, інша також “відчує” збурення. Цей феномен Альберт Айнштайн називав “примарною взаємодією на відстані”.

Часто квантовий стан частинки описує її “спін” або напрямок обертання, проте насправді квантові частинки не обертаються, а визначення природи спіна для них представив британський фізик Поль Дірак.

Сплутування виникає, коли пара квантових частинок, наприклад фотони, починають взаємодіяти фізично. Лазерний промінь з фотонів, який проходить через розділювач (поляризатор), як в експерименті NIST, саме здатен розділити окремі фотони на пари сплутаних фотонів.

Такі фотони можна відокремити та рознести на значні відстані, на сотні та тисячі кілометрів.

Під час спостереження умовний фотон A приймає визначене положення спіна “верхній”. Віднесений на велику відстань сплутаний фотон B змінить стан відповідно до стану фотона A (у цьому випадку на “нижній” спін). Передача взаємодії відбувається на швидкості, яка щонайменше у 100 000 разів перевищує швидкість світла, можливо, навіть миттєво та незалежно від відстані.

Факти про квантове сплутування

  • Науковці зі США провели експеримент зі сплутуванням квантів на відстані 1.3 км.
  • Квантове сплутування не може бути використане для миттєвої передачі класичної інформації (швидше швидкості світла).
  • Квантове сплутування є фундаментальним явищем для побудови квантових комп’ютерів та квантової телепортації.
  • Використання квантового сплутування обмежується ефектом спостерігача, який призводить до неможливості точного визначення, яка саме серія вимірів надходить до спостерігача.
  • Кореляції станів, які спостерігаються експериментально, відкидають принцип локального реалізму, який стверджує, що інформація про стан системи має обмежуватись лише взаємодією з її безпосереднім оточенням.
  • Запланований експеримент з розміщення сплутаної квантової частинки на борту МКС на максимальній відстані від Землі не відбувся через втрату модуля Orbital-3.

Декілька слів про квантовий комп’ютер

5 травня корпорація IBM відкрила вільний доступ до власного квантового процесора. Якщо ви не знаєте, чим відрізняється квантовий комп’ютер від звичайного бінарного, вам слід брати приклад з канадського прем’єра Джастіна Трюдо. Загалом, ця штука має, окрім нуля та одиниці, які відповідають логічним станам “Так” або “Ні” (також зустрічається “правда” або “брехня”), ще додатковий стан суперпозиції. Саме властивість квантових часток одночасно знаходитись у декількох станах стала основою для розробки нового покоління машин, обчислювальна здатність яких зростає за експонентою. Тобто працюють вони набагато ефективніше за сучасні комп’ютери. Уявіть лишень у 10 000 разів більше розрахунків за один й той же проміжок часу — це наше сьогодення. Класичні байти вже незабаром стануть минулим, а їхнє місце займуть кубіти (квантові біти).

Словом, якщо би “Скайнет” існував, це певно був би квантовий комп’ютер.

Так виглядали комп’ютери IBM 30 років тому.

Дивіться, на що сьогодні схожа лабораторія IBM з квантовим комп’ютером у 3D:

Минулого року дослідники з Уельсу заявили про створення квантового комп’ютера на основі кремнію, у якому функції квантового біта виконує охолоджений атом фосфору.

Квантове обчислення увійшло у сферу зацікавленості багатьох великих технологічних компаній. Хмарні технології IBM нададуть можливість користувачам отримати доступ до технології, яка здатна вирішити безліч складних проблем, які не в змозі вирішити сучасні бінарні суперкомп’ютери: розробка нових матеріалів, штучний інтелект, глобальна логістика, молекулярна біологія та генетика, тощо. Можливо, уряди будуть користуватися квантовим обчисленням, щоби декодувати приватну інформацію та повідомлення?

Ця мить знаменує народження хмарного квантового обчислення… Квантові комп’ютері дуже відрізняються від сучасних комп’ютерів, не тільки тим, як вони виглядають та з чого вони зроблені, але й, що важливіше, тим, на що вони здатні. Квантове обчислення стане реальністю, воно розширить можливості обчислення далеко за межі того, на що здатні комп’ютери сьогодення.

– заявив старший віце-президент та директор IBM Арвінд Крішна.

У компанії також зазначили, що доступ до квантової хмари може отримати будь-хто: треба лише пройти реєстрацію на сайті та заповнити анкету. Якщо у вас є відповідні знання у галузі квантових комп’ютерів, зрештою у вас є гарні шанси під’єднатись до комп’ютера майбутнього.

Квантовий комп’ютер IBM не відрізняється інноваційністю, однак науковці не припиняють роботу над новими моделями.

Квантовий світ важко побачити та ще важче збагнути. Однак, наша необізнаність у його законах навряд зупинить перетворення технологій та світу довкола за новими принципами фізики.

Сподобалась стаття? Придбайте нам , а ми напишемо ще.
Повідомити про помилку: підкресліть текст та натисніть CTRL+Enter або