Eiropa atklāj savu kvantu nākotnes vīziju

Cīņa par kvantu pasaules iekarošanu ir viena no vissīvākajām tehnoloģijām. Gan Ķīna, gan ASV ir ieguldījušas miljardus, lai izstrādātu jaunus veidus, kā izmantot dīvainos fizikas likumus, kuriem piekļuvi nodrošina kvantu efekti. Solījums ir jauns skaitļošanas un komunikācijas laikmets un, protams, neizsapņotās bagātības.

Visā satraukumā viena pasaules daļa tiek atstāta aiz borta. Eiropai ir bagāta inovāciju vēsture kvantu fizikā, taču pēdējos gados tā ir sākusi atpalikt no saviem globālajiem konkurentiem.

Tāpēc 2016. gadā Eiropas Komisija paziņoja, ka tā iegulda vienu miljardu eiro pētniecībā, kas pazīstama kā kvantu tehnoloģiju vadošais projekts. Šī projekta mērķis ir izstrādāt četras tehnoloģijas: kvantu komunikāciju, kvantu simulāciju, kvantu skaitļošanu un kvantu sensoru. Kā iet pēc gandrīz diviem gadiem?

Kvantu sistēmu kontrole ir nopietns izaicinājums.

Šodien mēs iegūstam ieskatu, pateicoties Eiropas kvantu tehnoloģiju ceļveža publicēšanai, atjauninātai dokumenta versijai, kurā ir noteikti projekta mērķi nākamajiem 10 gadiem. Konkrēti, tajā ir iezīmētas divas jaunas jomas, par kurām citās pasaules daļās ir bijusi mazāka interese — kvantu programmatūra un kvantu kontrole. Tas varētu būtiski ietekmēt Eiropas kvantu tehnoloģiju nākotni.

Dokuments sākas ar fokusa jomu izklāstu. Pirmā, kvantu komunikācija, piedāvā iespēju sūtīt datus no vienas vietas uz otru ar pilnīgu privātumu, ko garantē fizikas likumi. Tas kļūst arvien svarīgāks, jo cita tehnoloģija — kvantu skaitļošana — drīzumā spēs izjaukt mūsdienās plaši izmantoto šifrēšanu. Droša komunikācija ir viens no mūsdienu sabiedrības pamatiem, kas nodrošina e-komerciju un nodrošina biznesa, valdības un militāro sakaru privātumu.

Problēma ir tā, ka esošās kvantu sakaru sistēmas ir dārgas un sarežģītas, lai pārvaldītu un darbinātu. Nākamais šo sistēmu attīstības posms ir padarīt tās daudz vieglāk pārvaldāmas.

Komisija saka, ka tas ir nenovēršami: tuvāko trīs gadu laikā ir paredzama autonomu [kvantu komunikācijas] sistēmu izstrāde metropoles attālumos, kas risinās zemas izvietošanas izmaksas, augstu drošu atslēgu ātrumu (> 10Mbps) un multipleksēšanu.

Vēl viena problēma ir tā, ka kvantu komunikācija darbojas tikai aptuveni 100 kilometru attālumā no punkta uz punktu. Tāpēc pētnieki strādā arī pie kvantu maršrutētājiem, kas var nosūtīt signālus daudz tālāk. Pēc 6 gadiem mēs, visticamāk, redzēsim [kvantu sakaru sistēmas] izmēģinājumu tīklos, demonstrējot lielus attālumus, izmantojot uzticamus mezglus, liela augstuma platformu sistēmas vai satelītus, kā arī vairāku mezglu vai pārslēdzamus pilsētas iekšējos tīklus. ziņojumā teikts, ka ir jāuzsāk liela mēroga infrastruktūras projekti.

Nākamā joma ir kvantu aprēķins, kas izmanto kvantu procesus, lai radītu iespaidīgu datu apstrādes veiktspēju. Dažus gadus tas ir bijis iespējams tikai dažu kvantu bitu jeb kubitu mērogā. Šodienas izaicinājums ir palielināt kvantu datorus līdz 100 kubitiem vai vairāk.

Šajā ceļvedī ir izklāstīti pieci iespējamie veidi, kā to izdarīt, izmantojot sistēmas, kas dažādos veidos uzglabā un apstrādā kvantu informāciju. Tie ietver informācijas uzglabāšanu jonos, kas ieslodzīti magnētiskajā laukā vai atomu kodolos, kas iestrādāti silīcijā vai ogleklī, strāvas plūsmā caur mazām supravadītājām ķēdēm vai fotonos, kas pārvietojas pa fotoniskajām ķēdēm.

Komisija nepārprotami sagaida liela mēroga kvantu apstrādi, izmantojot vienu vai vairākas no šīm tehnoloģijām piecu līdz desmit gadu laikā. Tas, vai tas vispirms tiks darīts Eiropā, ir daudz mazāk skaidrs.

Kvantu simulācija ir trešā investīciju joma. Sarežģītu kvantu īpašību modelēšana parastajā datorā ir gandrīz neiespējama. Bet kvantu sistēmas var likt simulēt citu kvantu sistēmu aspektus vairāk vai mazāk perfekti.

Fiziķi spēlējas ar dažādiem veidiem, kā to izdarīt. Pamatideja ir atrast kvantu sistēmu, kas ir labi saprotama un viegli manipulējama un izmērāma, un pēc tam izmantot to, lai modelētu sistēmu, ar kuru ir grūti manipulēt un izmērīt.

Labi saprotamās sistēmās ietilpst īpaši auksti atomi un molekulas, magnētiskajos laukos iesprostoti joni un supravadošās ķēdes. Sarežģītākas sistēmas, ko fiziķi vēlas saprast, rodas augstas enerģijas fizikā, kosmoloģijā, statistiskajā fizikā un pat bioloģijā, kur kvantu procesi, šķiet, spēlē lomu enerģijas pārnesē. Solījums ir tāds, ka kvantu simulācija var sniegt ieskatu visās šajās jomās.

Taču ir būtiski izaicinājumi. Tie ietver interesantu sistēmu atrašanu, kuras var simulēt ar esošajām metodēm, un atbilstoša eksperimenta izstrādi, lai to paveiktu. Turklāt fiziķiem ir jāatrod veidi, kā pārliecināties, ka sistēma ir pareizi veikusi simulāciju.

Tas, cik daudz no tā būs iespējams nākamo 10 gadu laikā, vēl nav skaidrs.

Ceturtā interešu joma ir kvantu noteikšana un metroloģija. Ideja ir tāda, ka, ja mēs vēlamies izmantot kvantu pasauli, mums ir jāspēj to izmērīt un sajust. Tas nozīmē, ka Visums ir jāmēra atomu un fotonu mērogā atbilstoši īsos laika posmos.

Fiziķiem ir plašs rīku klāsts, lai to izdarītu, taču tie visi ir jāuzlabo. Tātad kvantu pulksteņi ir jāpadara precīzāki, atomu sensori ir jāpadara jutīgāki, un optomehāniskie sensori ir jāpadara spējīgāki.

Ceļa karte beidzas ar divu jaunu interešu jomu apspriešanu. Pirmā ir kvantu kontrole: spēja manipulēt ar kvantu sistēmām, izmantojot ārējos elektromagnētiskos laukus vai spēkus. Kvantu optimālās vadības mērķis ir izdomāt un ieviest ārējo lauku impulsu formas vai šādu impulsu secības, kas vislabākajā iespējamajā veidā sasniedz noteiktu uzdevumu kvantu sistēmā, teikts tajā.

Citiem vārdiem sakot, runa ir par kvantu sistēmu iedarbināšanu ar radioviļņiem un lāzera stariem, lai tās izturētos noteiktā veidā. Paredzams, ka šāda veida precīza kvantu sistēmu vadība cita starpā ļaus veikt liela mēroga kvantu aprēķinus un simulācijas.

Otra no šīm jaunajām jomām ir kvantu programmatūras izstrāde, ko ir daudz grūtāk izstrādāt nekā parasto programmatūru, jo kubiti var pastāvēt kā abi 0 smiltis viens s tajā pašā laikā. Tas nozīmē, ka vairāki kubiti var veikt daudzus aprēķinus paralēli, tāpēc kvantu datori ir tik ļoti spēcīgi.

Bet iegūt atbildi no šiem aprēķiniem ir grūti. Un tas padara kvantu algoritmus ļoti trauslus.

Potenciāls ir tāds, ka kvantu algoritmi var ievērojami pārspēt klasiskos aprēķinus. Bet patiesībā ir grūti atrast algoritmus, kas to var izdarīt. Šai programmatūrai būs jādarbojas gan datoru, gan visu tīklu mērogā. Attīstība šajā jomā var nodrošināt Eiropai iespēju pārvarēt konkurentus, kuriem ir priekšrocības aparatūras izstrādē.

Viena no aizraujošākajām problēmām ir kvantu informācijas teorijas izstrāde. Matemātiķa un inženiera Kloda Šenona 1940. un 50. gados izstrādātā klasiskā informācijas teorija ir kļuvusi par mūsdienu skaitļošanas un komunikācijas pamatu. Līdzīgi spēcīga kvantu informācijas teorija izvairās no teorētiķiem, taču tās izstrāde ir svarīgs mērķis Eiropā. Daudz kas būs atkarīgs no iznākuma.

Ja šis ceļvedis ir precīzs kopsavilkums par Eiropas pieeju kvantu tehnoloģiju attīstībai, tās globālie konkurenti diez vai trīcēs savās zābakos. Lielākoties plānā trūkst ambīciju attiecībā uz darbu citur. Piemēram, Ķīnas orbītā jau ir satelīts, kas spēj nodrošināt kvantu saziņu ar zemi, un tas ir kvantu kopienas skaudība visā pasaulē.

Izņēmumi ir kvantu kontroles un kvantu programmatūras jomās. Tās ir pamattehnoloģijas ar plašu pielietojumu kvantu pasaulē un varētu būt nozīmīgs tramplīns Eiropai.

Viens liels nezināmais ir rūpniecības loma kvantu tehnoloģiju nākotnē. Eiropa ļoti vēlas sadarboties ar tādiem uzņēmumiem kā Google, IBM un Microsoft, kas visi izstrādā savas kvantu tehnoloģijas. Taču liela daļa šī darba līdz šim ir paveikta ASV. Šīs fokusa maiņai ir jābūt prioritātei, ja Eiropa vēlas iegūt atbilstošu atlīdzību no saviem miljardu eiro ieguldījumiem.

Atsauce: arxiv.org/abs/1712.03773 : Eiropas kvantu tehnoloģiju ceļvedis

paslēpties