Квантовая физика для чайников. что такое квантовая физика: суть простыми словами

Квантовая физика — FAQ

Это были основы квантовой физики, которые необходимо знать для базового понимания. Однако осталось несколько интересных вопросов:

Что такое квант простыми словами?

Квант — наименьшая неделимая порция чего-либо, в частности энергии. Понятие кванта ввёл Макс Планк.

Что такое квантовые компьютеры и существуют ли они в реальности?

Квантовый компьютер — вычислительное устройство, использующее явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки информации. И он существует. Наибольший составлен из семи кубитов. Этого хватит, чтобы разложить число 14 на простые множители: 7 и 2. Пока что нет квантового компьютера для практического применения, однако его появление поможет человечеству решить медицинские проблемы, расшифровать генетический код и выйти за рамки материального мира. Поэтому многие страны финансируют десятки миллионов долларов на создание квантового компьютера.

Когда появится квантовое шифрование (квантовая криптография)?

Пока что о квантовой криптографии говорят в будущем времени. Однако первый протокол был создан в 1984 году и носил название BB84. Замысел квантового шифрования состоит в том, чтобы передавать информацию отдельными фотонами. Главным теоретическим недостатком квантового шифрования является низкая пропускная способность.

Как проявляется квантовая запутанность?

Если выбрать одну частицу из определённого количества частиц и повлиять на неё, то состояние изменится у остальных частиц, независимо от условий. Явление квантовой запутанности — основа квантовой телепортации.

Что такое сверхпроводимость?

Свойство некоторых металлов при охлаждении до абсолютного нуля полностью терять сопротивление электрическому току.

Свет — частица или волна?

Свет не является ни частицей, ни волной, приобретая их свойства только в некотором приближении.

Что такое квантовый двигатель?

Квантовый двигатель — механизм, который выполняет работу без потерь энергии, сил трения и теплообмена с окружающей средой.

Что такое эффект наблюдателя?

Эффект наблюдателя — теория о том, что наблюдение за объектом изменяет его свойства.

Как возникает квантовое поле?

В квантовых полях процесс передачи взаимодействия происходит квантами, в качестве которых выступают элементарные частицы с фиксированными физическими характеристиками. Таким образом, взаимодействующие частицы имеют квантованные характеристики и взаимодействие между ними передаётся квантовым полем со своими квантованными характеристиками.

Из чего сделан квантовый камуфляж?

Квантовый камуфляж сделан из оксида самария и никеля и позволяет спрятаться от инфракрасных камер.

Квантовый компьютер 2019. Google представила новый квантовый процессор

Корпорация Google представила 72-кубитный квантовый процессор Bristlecone. С помощью этого процессора подразделение Google Quantum AI lab, ответственное за разработку квантового компьютера, будет тестировать системные ошибки и масштабируемость технологии, а также области применения квантовой симуляции, оптимизации и машинного обучения «для решения проблем реального мира», как пишет компания в блоге .Новый 72-кубитный квантовый процессор Google Bristlecone построен по принципу, который позволил в предыдущем 9-кубитном процессоре показать низкую частоту ошибок при считывании данных (1%), при работе однокубитного вентиля — 0,1% и при работе двухкубитного вентиля — 0,6%, что, как отмечает Google, было лучшим результатом компании

Перед применением нового процессора в работе важно понять его возможности: команда создала инструмент, проверяющий его на ошибки, с помощью решения идентичных задач на квантовом процессоре и в классической симуляции. При низком количестве ошибок может быть достигнуто «квантовое превосходство».Прогноз Google: зависимость количества ошибок от количества кубитов в процессореКвантовые компьютеры используют квантовую суперпозицию и квантовую запутанность для передачи и обработки данных

Одной из главных задач квантовых компьютеров станет усиление искусственного интеллекта . Кубиты квантового процессора — это квантовые аналоги битов. Два расположенных рядом кубита имеют четыре состояния — оба вкл, оба выкл, вкл/выкл и выкл/вкл, каждый из них имеет вес или «амплитуду», которая способна играть роль нейрона; третий кубит в такой системе позволяет представить восемь нейронов, а четвёртый — шестнадцать. Изменение состояния четырёх кубитов приводит к обработке шестнадцати нейронов за один раз, в то время как классический компьютер обрабатывал бы эти числа по одному.Одной из проблем при работе квантового компьютера является количество ошибок, которые возникают при вычислениях, считывании и записи информации в кубиты. В июне 2016 года исследователи из Google построили процессор из 9 кубитов, который показал высокую надёжность. Эту разработку они смогли масштабировать к марту 2018 года, увеличив количество кубитов до 72. В процессоре кубиты расположены в два слоя 6×6 друг над другом. Подразделение Google Quantum AI lab тестирует разработку.Квантовый процессор Bristlecone состоит из 72 кубитов, изображённых на схеме (справа) в форме «X», где точки соприкосновения концов символа отображает связь кубита с ближайшими «соседями»На данный момент квантовыми компьютерами занимаются ряд исследовательских команд, в том числе — IBM. В марте 2017 года компания объявила о запуске проекта IBM Q, и к июню представила два процессора: 16-кубитный для работы в научной сфере и 17-кубитный для коммерческого использования. В 2017 году IBM Research разработала 49-кубитный процессор.В июле 2017 года команда российских и американских учёных из Гарвардского университета, возглавляемая сооснователем Российского квантового центра (РКЦ) Михаилом Лукиным, сообщила о создании 51-кубитного квантового компьютера.В России в марте 2018 года между Внешэкономбанком, компанией «ВЭБ Инновации», Фондом перспективных исследований (ФПИ), МГУ имени Ломоносова и АНО «Цифровая экономика» было подписано соглашение о разработке 50-кубитного квантового компьютера.

История

На заседании Немецкого физического общества Макс Планк зачитал свою историческую статью «К теории распределения энергии излучения в нормальном спектре», в которой он ввёл универсальную постоянную h{\displaystyle h}. Именно дату этого события, 14 декабря 1900 года, часто считают днём рождения квантовой теории.

Квантовая гипотеза Планка состояла в том, что для элементарных частиц любая энергия поглощается или испускается только дискретными порциями (квантами). Эти порции состоят из целого числа квантов с такой энергией E{\displaystyle {\mathcal {E}}}, что эта энергия пропорциональна частоте ν с коэффициентом пропорциональности, определённым по формуле:

E=hν=ℏω,{\displaystyle {\mathcal {E}}=h\nu =\hbar \omega ,}

где h{\displaystyle h} — постоянная Планка, и ℏ=h2π.{\displaystyle \hbar ={\frac {h}{2\pi }}.}

В 1905 году, для объяснения явлений фотоэффекта, Альберт Эйнштейн, использовав квантовую гипотезу Планка, предположил, что свет состоит из квантов. Впоследствии «кванты» света получили название фотонов.

Для объяснения структуры атома Нильс Бор предложил в 1913 году существование стационарных состояний электрона, в которых энергия может принимать лишь дискретные значения. Этот подход, развитый Арнольдом Зоммерфельдом и другими физиками, часто называют старой квантовой теорией (1900—1924 г.). Отличительной чертой старой квантовой теории является сочетание классической теории с противоречащими ей дополнительными предположениями.

В 1923 году Луи де Бройль выдвинул идею двойственной природы вещества, опиравшуюся на предположение о том, что материальные частицы обладают и волновыми свойствами, неразрывно связанными с массой и энергией. Движение частицы Л. де Бройль сопоставил с распространением волны, что в 1927 году получило экспериментальное подтверждение при исследовании дифракции электронов в кристаллах.

Высказанные в 1924 году идеи корпускулярно-волнового дуализма были в 1926 году подхвачены Э. Шрёдингером, развернувшим на их основе свою волновую механику.

В 1925—1926 годах были заложены основы последовательной квантовой теории в виде квантовой механики, содержащей новые фундаментальные законы кинематики и динамики. Первая формулировка квантовой механики содержится в статье Вернера Гейзенберга, датированной 29 июля 1925 года. Эту дату можно считать днём рождения нерелятивистской квантовой механики.

Развитие и формирование основ квантовой механики продолжается до сих пор. Оно связано, например, с исследованиями открытых и диссипативных квантовых систем, квантовой информатикой, квантовым хаосом и пр. Помимо квантовой механики, важнейшей частью квантовой теории является квантовая теория поля.

В 1927 году К. Дэвиссон и Л. Джермер в исследовательском центре Bell Labs демонстрируют дифракцию медленных электронов на никелевых кристаллах (независимо от Дж. Томсона). При оценке угловой зависимости интенсивности отражённого электронного луча, было показано её соответствие предсказанной на основании условия Вульфа — Брэгга для волн с длиной де Бройля (см. Волны де Бройля). До принятия гипотезы де Бройля дифракция расценивалась как исключительно волновое явление, а любой дифракционный эффект — как волновой. Когда длина волны де Бройля была сопоставлена с условием Вульфа — Брэгга, была предсказана возможность наблюдения подобной дифракционной картины для частиц. Таким образом, экспериментально была подтверждена гипотеза де Бройля для электрона.

Подтверждение гипотезы де Бройля стало поворотным моментом в развитии квантовой механики. Подобно тому, как эффект Комптона показывает корпускулярную природу света, эксперимент Дэвиссона — Джермера подтвердил неразрывное «сосуществование» с частицей её волны, иными словами — присущность корпускулярной материи также и волновой природы. Это послужило оформлению идей корпускулярно-волнового дуализма.
Подтверждение этой идеи для физики стало важным этапом, поскольку дало возможность не только характеризовать любую частицу, присваивая ей определённую индивидуальную длину волны, но также при описании явлений полноправно использовать её в виде определённой величины в волновых уравнениях.

Эйнштейн и фотоэлектрический эффект

В 1905 году Альберт Эйнштейн объяснил фотоэффект, опираясь на квантовую гипотезу Планка.

Учёный предположил, что электромагнитная волна (которой считался свет) состоит из световых квантов (фотонов). Поглощение света происходит так, что фотоны квантами передают собственную энергию электронам вещества. При фотоэффекте часть электромагнитного излучения отражается от поверхности металла, а другая попадает внутрь и там поглощается. Электрон получает энергию от фотона и совершает работу выхода из вещества, приобретая начальную скорость.

Формула:

Это уравнение объясняет все законы внешнего фотоэлектрического эффекта:

  • Суммарное число фотоэлектронов, покидающих поверхность вещества, прямо пропорционально числу фотонов, попадающих на поверхность вещества.
  • Максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона зависит от частоты электромагнитного излучения и работы выхода, но не зависит от интенсивности электромагнитного излучения.
  • Для каждого вещества есть граница частоты электромагнитного излучения, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Эта частота и соответствующая длина волны называется красной границей фотоэффекта. Она зависит от работы выхода, химической природы вещества и состояния поверхности.

Благодаря явлению внешнего фотоэффекта мы смотрим фильмы со звуком. Фотоэлемент позволял превратить звук, запечатлённый на киноплёнке, в слышимый. Свет обычной лампы проходил через звуковую дорожку киноплёнки, преобразовывался и попадал на фотоэлемент. Чем больше света проходило через дорожку, тем громче был звук в динамике.

Квантовые компьютеры. Квантовая криптография

Как ни странно, спасение телекоммуникаций от квантовой угрозы лежит в той же сфере, где и сама угроза. Связь, основанную на передаче единичных микрочастиц, по идее невозможно прослушивать, поскольку законы квантовой физики не позволяют измерить параметры микрочастицы, не исказив их. Это явление, известное как принцип наблюдателя (и часто путаемое с принципом неопределенности Гейзенберга), в теории устраняет основную проблему «классической» связи  — возможность прослушивания. Попытка прослушать сигнал искажает сообщение.

Попытка прослушать сигнал искажает сообщение.

Поэтому значительный процент помех на линии означает, что она прослушивается. Разумеется, хочется не только узнать о том, что вас слушают, но и предотвратить попадание информации в чужие руки. Поэтому квантовые криптосистемы обычно используют «квантовую» линию связи для передачи одноразового ключа шифрования, который, в свою очередь, применяется для шифровки сообщения и трансляции по обычной линии связи. То есть квантовая криптосистема распределения ключей выполняет ровно ту же роль, что асимметричные криптоалгоритмы, которые собираются пасть под напором квантовых вычислений. Так вот, в случае подозрения на прослушивание потенциально перехваченный ключ просто не используется, и передача важных данных идет, только если квантовая передача ключа прошла успешно.

Коммерческая система Cerberis для квантового распределения ключей

В отличие от квантовых компьютеров, квантовые криптосистемы уже давно не являются лабораторной инновацией. Хотя первые научные работы на эту тему появились тоже на рубеже 70–80-х годов ХХ века, до практического воплощения дело дошло быстрее. Первые лабораторные тесты прошли в 1989 году, а уже в конце 90-х функционировали коммерческие системы квантовой передачи ключей на расстояние от 20 до 50 км. Такие компании, как id Quantique и MagiQ Technologies, продают готовые системы передачи криптоключей по обычному оптоволоконному кабелю. Эти системы достаточно просты для установки обычным специалистом по прокладке компьютерных сетей. Соответственно, кроме разного рода военных и правительственных организаций их взяли на вооружение крупные коммерческие организации, банки и даже FIFA.

Основные законы квантовой механики

Принцип неопределённости Гейзенберга — где и с какой скоростью?

В 1927 году Гейзенберг сформулировал принцип неопределённости: невозможно одновременно точно измерить пространственную координату и скорость частицы. Формула:

Принцип неопределённости также связывает иные пары характеристик, например, энергию квантовой системы и момент времени, когда квантовая система обладает ей.

Подходящей аналогией является фотографирование движущегося объекта. Объект, сфотографированный с длительной экспозицией, размывается. Это демонстрирует, как движется объект, но не где он находится. Наоборот: можно определить местоположение объекта, сфотографированного с короткой экспозицией, но не то, как он движется. Однако следует понимать, что принцип неопределённости не ориентирован на наблюдателя, а показывает природу частиц.

Кот Шрёдингера — и жив и мёртв одновременно

Шрёдингер, желая показать неполноту квантовой механики при переходе от микромира к макромиру, провёл мысленный эксперимент.

Кот Шрёдингера — и жив и мёртв одновременно

Есть закрытый ящик, в котором находится живой кот и механизм: счётчик Гейгера с радиоактивным веществом, молоток и колба смертельного яда. Колба может быть разбита механизмом, приводимым в действие радиоактивным распадом. Однако распад носит вероятностный характер — 50/50. Если распад произойдёт, то молоток разобьёт колбу и смертельный яд убьёт кота. Если распада не произойдёт, то механизм не сработает и кот будет жив. Шрёдингер заключил, что пока мы не откроем ящик и не узнаем состояние кота, то он жив и мёртв одновременно.

В каких областях квантовый компьютер будет особенно актуален?

Финансы

  • оптимизация инвестиционных портфелей;
  • предсказание финансовых кризисов;
  • предсказание кредитоспособности клиентов;
  • построение моделей кредитных рисков;
  • защита от мошенничества с помощью анализа истории транзакций;
  • распознавание мошеннических действий.

Все эти процессы существенно трансформируются благодаря вычислительной мощности квантовых компьютеров. Задачи будут решаться моментально, а не в течение часов и дней.

Медицина и фармацевтика

Квантовые компьютеры помогут оптимизировать поиск белковых структур. Это приведет к ускорению производства новых лекарств и персонализации медицины, а также ускорению сборки геномов. Последний процесс может быть использован при диагностике онкологических заболеваний, так как слияние генов и их перегруппировка — это распространенные причины злокачественных опухолей. D-Wave уже применила свой квантовый отжигатель (вычислитель, пригодный для решения лишь некоторых задач по оптимизации), чтобы выявить у пациентов с немелкоклеточным раком легкого аденокарциному или плоскоклеточный рак — две разновидности смертельного заболевания.

Логистика

Оптимизация логистических цепей сократит длину маршрутов и даст возможность бизнесу уменьшить затраты на топливо. Квантовые алгоритмы в несколько раз быстрее просчитывают все возможные варианты передвижения и выбирают самые оптимальные.

Первый проект такого рода был осуществлен в 2019 году, когда технологическая компания Groovenauts вместе с компанией Mitsubishi Estate смогли оптимизировать сеть маршрутов забора мусора и размеры транспортных контейнеров для 26 крупных офисных центров в центральной части Токио.

Информационная безопасность

Сегодня разработаны алгоритмы, которые позволяют квантовому компьютеру сократить время подбора пароля и дешифровки информации до нескольких часов или минут.

Даже высокозащищенные методы, основанные на криптографии с открытым ключом, могут запросто быть взломаны квантовым компьютером. Именно поэтому квантовые вычисления — это технология национальной безопасности, и государства, которые первыми построят высококубитный квантовый компьютер, получат практически совершенное технологическое оружие. Отсюда и квантовая гонка, и сотни миллиардов инвестиций в технологию.

Химическая промышленность

  • «Кванты» помогут создать новые композитные материалы для таких отраслей экономики, как авиастроение и химическая промышленность. Полученные составы улучшат функциональные свойства авиалайнеров, снизят их вес на 20–40% и повысят износостойкость;
  • применение квантовых сенсоров в производстве материалов позволит отследить критические деформации конструкций, снижая затраты на диагностику, технический осмотр и ремонтные работы.

Математика и физика

Две самые страшные школьные дисциплины для учеников с гуманитарным складом ума однажды объединились, чтобы породить новый этап в изучении окружающего мира. Началось все с того, что Макс Планк, выводя формулу распределения излучения абсолютно черного тела, ввел понятие «квант». Значение слова буквально такое: наименьшая порция чего-либо, например, энергии, поля, момента инерции.

Причем применимо это понятие к микромиру: может быть квант света и гравитационного поля, но не может быть кванта массы или дождя. Чтобы читателю было яснее, приведем пример. Если бы все возможные состояния электрона были целой коровой, то квант – это наименьшая порция мяса, с помощью которой можно насытиться, то есть один стейк. Кстати, в известном фильме о Джеймсе Бонде под квантом милосердия наверняка подразумевается то, что даже у самого черствого человека есть хоть немного сострадания в душе.

Легко ли предсказать будущее?

В XIX веке физика заявляла, что в микромире у вещей нет ни цвета, ни запаха, ни вкуса. Да и самих вещей, по сути, нет — есть только материальные точки (обладающие массой и иногда электрическим зарядом), которые движутся в пустом пространстве

И самое важное: движение материальных точек заранее предопределено начальными положениями и скоростями. Ничего случайного, никаких неожиданностей в классическом микромире не допускается

Если вас ночью укусила блоха, то это закономерно и неизбежно следовало из расположения атомов в первичной туманности, некогда породившей Солнце, планеты, а потом — и земную природу со всеми ее многовековыми переменами и, в конце концов, эту самую злосчастную блоху. Именно эту, и никакую другую! Ибо по законам классической механики движение тел строго однозначно определяется движениями в предшествующий момент. Будущее закономерно вытекает из настоящего без всякого выбора разных возможностей, разных вариантов.

Открытие элементарного кванта действия отвергло столь безнадежно фаталистический взгляд на мир. Почему? Сначала — маленькое отступление.

Микромир — это не мир микропредметов

Просто мы должны твердо отдавать себе отчет, что атом это отнюдь не система маленьких комочков вещества, вроде планет, обращающихся вокруг Солнца. Квантовая механика запрещает описывать его в виде подобной системы. Почему?

Мы живем в мире физических тел и предметов, наделенных разными совокупностями свойств. Так, предмет с определенным цветом, формой, вкусом, запахом мы называем «яблоком», с другими, столь же определенными свойствами, — столом. В атомном мире ничего подобного нет. Атомы, элементарные частицы, атомные ядра и прочее — это не предметы. То, что вызывают они — вспышки на экранах, следы на фотопластинках, срабатывание счетчиков,— нельзя представить как следы, которые оставляет какое-то определенное тело с определенными физическими свойствами.

Продолжение следует.

Промежуточные выводы

Запустив оба примера, мы получим один и тот же результат. На квантовом компьютере это займет больше времени, потому что необходимо провести дополнительную компиляцию в квантовоассемблерный код и отправить его на исполнение в облако. Использование квантовых вычислений имело бы смысл, если бы скорость выполнения их элементарных операций – гейтов – была бы во много раз меньше чем в классической модели.

Измерения специалистов показывают, что выполнение одного гейта занимает около 1 наносекунды. Так что алгоритмы для квантового вычислителя должны не копировать классические, а по максимуму использовать уникальные свойства квантовой механики. В следующей статье мы разберем одно из основных таких свойств — квантовый параллелизм — и поговорим о квантовой оптимизации в целом. Затем определим наиболее подходящие сферы для квантовых вычислений и расскажем об их применении.

Квантовые компьютеры

  • Квантовые компьютеры — чрезвычайно захватывающая технология, подающая надежды на создание мощных вычислительных возможностей для решение ранее неразрешимых проблем.
  • Эксперты утверждают, что IBM лидировала в области квантовых вычислений, поэтому Google, Intel, Microsoft и множество стартапов находятся под ее влиянием.
  • Инвесторов привлекают стартапы в области квантовых вычислений, в их числе IonQ, ColdQuanta, D-Wave Systems и Rigetti, которые смогут изменить этот рынок.
  • Однако, есть загвоздка: современные квантовые компьютеры, как правило, не так мощны и не так надежны, как существующие сегодня суперкомпьютеры, а также им требуются особенные условия для запуска и загрузки.

В январе IBM произвела фурор, когда объявила о выпуске IBM Q System One, первой в мире модели квантового компьютера доступной для бизнеса. Устройство, было помещено в гладкий стеклянный корпус объемом 9 кубических футов.

Это важная веха для квантовых компьютеров, которые до сих пор располагаются в исследовательских лабораториях. По мнению IBM, покупатели уже намерены взять в свои руки эту технологию, подающую надежды в разных областях: химии, материаловедении, производстве продуктов питания, авиакосмической промышленности, разработке лекарств, прогнозировании фондового рынка и даже в борьбе с климатическими изменениями.

IBM Q System One. Фото: IBM

Причина волнений заключена в том, что квантовый компьютер обладает, казалось бы, магическими свойствами, которые позволяют ему обрабатывать экспоненциально большей информацией, чем обычная система. Квантовый компьютер не просто очень быстрый компьютер, точнее, это совершенно другая парадигма вычислений, которая требует радикального переосмысления.

Победителем в гонке технологий станет та компания, которая воспользуется возможностями, предоставляемыми этой технологией. IBM, Microsoft, Google и другие технические гиганты, а также стартапы делают ставку на эту технологию.

Business Insider задал пару вопросов вице-президенту IBM Q Strategy and Ecosystem Бобу Сютору о том как сделать эти системы доступными для людей: как люди получат к ним доступ? Каким образом множество людей сможет научиться использовать квантовые компьютеры для выполнения своих задач?

Мало шансов увидеть квантовые компьютеры в офисе в ближайшее время. Эксперты, с которыми мы поговорили, считают, что, несмотря на то, что они доступны IBM, пройдет еще пять-десять лет, прежде чем квантовые вычисления действительно станут мейнстримом. IBM Q System One в настоящее время доступна только в качестве службы облачных вычислений для избранных покупателей. Пройдет еще какое-то время, прежде чем что-то подобное люди смогут приобрести и заставить работать в личных целях.

Действительно, эксперты уверяют, что квантовые компьютеры подают большие надежды, но они далеки от массового производства. Они чрезвычайно хрупкие и требуют специальных условий для работы. Более того, квантовые компьютеры сегодня не так надежны и не так мощны, как компьютеры, которые у нас уже есть.

«Мы считаем, что примерно через десять лет квантовый компьютер изменит вашу жизнь или мою, — заявил Business Insider Джим Кларк, директор по квантовому оборудованию Intel. — На самом деле мы сейчас только на первой миле марафона. Это не значит, что мы не обеспокоены этим».