Sapinusies gaisma, kvantu nauda

Pēdējos gados austriešu fiziķis Antons Zeilingers ir atrisinājis sapinušos fotonus no orbītā riņķojošiem pavadoņiem un licis 60 atomu fullerēna molekulām eksistēt kvantu superpozīcijā – būtībā kā visu to iespējamo pozīciju un enerģijas stāvokļu uztriepi vietējā telpā-laikā. Tagad viņš cer izmēģināt to pašu triku ar simtiem reižu lielākām baktērijām. Tikmēr Hanss Mooijs no Delftas Tehnoloģiju universitātes kopā ar Setu Loidu, kurš vada MIT Ekstrēmas kvantu informācijas teorijas centru, ir izveidojuši kvantu stāvokļus (kas rodas, kad daļiņas vai daļiņu sistēmas ir superpozicionētas) mērogos, kas ir daudz virs kvantu līmeņa. supravadītāja cilpa, kas ir redzama cilvēka acij un kas nes superstrāvu, kuras elektroni vienlaikus darbojas pulksteņrādītāja virzienā un pretēji pulksteņrādītāja virzienam, tādējādi kalpojot kā kvantu skaitļošanas ķēde.

Divi mezgli no kvantu tīkla, ko Caltech pētnieki izveidoja, apturot sapinušos fotonus divos cēzija atomu ansambļos, kas atrodas īpaši augsta vakuuma sistēmā. Sapīšanās īslaicīga glabāšana nodrošina pamatu kvantu datu glabāšanai, kas var būt noderīga dažādām lietojumprogrammām, tostarp kvantu kriptogrāfijā.

Fiziķis Ričards Feinmens 1981. gadā ierosināja ideju par kvantu skaitļošanu, lai izmantotu atomu, fotonu un elementārdaļiņu informācijas apstrādes potenciālu. Līdz šim šī joma ir attīstījusies pietiekami tālu, lai pētnieki ne tikai spēj manipulēt ar fiziku, lai iegūtu nepieredzētus eksperimentālus efektus, bet arī ir ierosinājuši komerciālus lietojumus.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2009. gada septembra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Bet pirms tādas tehnoloģijas kā kvantu sakari, skaitļošana un metroloģija var realizēt savu potenciālu — kvantu internets un neviltota nauda ir divas interesantas iespējas — kvantu tīkliem jāspēj pārraidīt un uzglabāt datus. Kalifornijas Tehnoloģiju institūta kvantu optikas grupa ir strādājusi, lai sasniegtu šo mērķi. Grupu vada H. Džefs Kimbls, Valentīnas fizikas profesors, kurš vadīja 1998. gada centienus, kas panāca pirmo nepārprotamo viena fotona kvantu stāvokļa — tas ir, tā griešanās, enerģijas un tā attēlotās informācijas — teleportāciju uz citu fotonu. . Tagad Kimbls un viņa komanda ir parādījuši sapīšanās veidu — nelokālas attiecības, kas ļauj izveidot kvantu teleportāciju, ko Einšteins skeptiski noraidīja kā spokainu darbību no attāluma.

Līdzīgi kā elektronu kustība mikroprocesoru shēmās pārraida datus mūsdienu datoros, kvantu stāvokļu teleportācija starp sapinušajām daļiņām veiktu šo uzdevumu kvantu tīklos. Runājot par datu glabāšanu, saka Kimblas grupas pētnieks Kjūns Sū Čo, viens no viņu nesenajiem eksperimentiem atrisināts galvenais jautājums: kā pārvērst sapinušo gaismu matērijas samezglojumā un atpakaļ gaismā? Sapinušies stāvokļi ir trausli, un sapinušās gaismas tīkliem būs nepieciešamas atkārtotas ierīces — līdzīgi kā tālsatiksmes optisko šķiedru tīkliem ir nepieciešamas optoelektroniskas atkārtošanas ierīces, lai atjaunotu sarūkošos signālus. Tāpēc sapīšanās būs jāģenerē un jāuzglabā komponentu apakšsistēmās lielākā kvantu tīklā. Tagad Kimble un viņa komanda ir demonstrējuši problēmas tehnisko risinājumu.

RESURSI:
Funkcionālie kvantu mezgli sapīšanās sadalei mērogojamos kvantu tīklos
Čin-Ven Čo, Džūljens Laurats, Hui Dens, Kjūns So Čo, Hugs de Rīdmatens, Daniels Felinto un H. Džefs Kimbls
Zinātne 316: 1316–1320 (2007)

Fotoniskās sapīšanās kartēšana kvantu atmiņā un no tās
K. S. Choi, H. Deng, J. Laurat un H. J. Kimble
Daba 452: 67–71 (2008).

Caltech komanda izmantoja divus cēzija atomu komplektus, kuru stāvokli tie ietekmēja ar lāzeru, padarot tos caurspīdīgus vai necaurspīdīgus, lai manipulētu ar ienākošo fotonu ātrumu. Pēc tam pētnieki sadalīja atsevišķus fotonus, ievietojot tos superpozīcijā - tas ir, tie bija daļa no vienas un tās pašas kvantu viļņu funkcijas un tādējādi sapinušies, vienlaikus nodrošinot, ka tie izplatījās pa diviem ceļiem abos cēzija ansambļos. Čojs skaidro: Mēs palēninājām gaismu līdz rāpošanai un apturējām to matērijā, deaktivizējot kontroles lāzeru, kas padarīja cēzija ansambļus caurspīdīgus, tāpēc kvantu informācija — sapinītā gaisma — tika glabāta atomu ansambļos. Atkārtoti aktivizējot vadības lāzeru, mēs atkal paātrinājām fotonus līdz normālam ātrumam, atjaunojot sapinušās gaismas starus. Līdz šim Caltech pētnieki ir saglabājuši sapinšanos matērijā vienas mikrosekundes garumā. Kimble lēš, ka viņš un viņa komanda to var pagarināt līdz 10 mikrosekundēm.

Kimblem piemīt pieklājīgs Teksasas džentlmeņa veids, kā es atklāju, kad viņa laboratorijas vadītājs atrada viņu 15 minūtes pēc grafika pēc divām nedēļām, kad fiziķis bija prom, uzstājoties četrās konferencēs divos kontinentos. Šīs 15 minūtes kļuva par pamācību par jaunākajiem tehniskajiem sasniegumiem sapīšanās pārbaudē un kvantitatīvā noteikšanā. Mērīšana ir galvenā kvantu mehānikas problēma, jo jebkura daļiņa vai sistēma pastāv kvantu stāvoklī tikai līdz brīdim, kad cita sistēma, neatkarīgi no tā, vai tā ir tik niecīga kā klaiņojoša gaisa molekula vai tik sarežģīta kā cilvēka novērotājs, iegūst informāciju par to un tādējādi šo stāvokli sabrūk. . Šīs ir prātu satraucošas lietas. Tomēr, ne tikai runājot par kvantu metroloģiju, Kimbls izteica vienu viegli uztveramu apgalvojumu: mūsu sabiedrības tehniskā bāze ir informācijas tirdzniecība. Nākamo 20 gadu laikā kvantu informācijas zinātne — datorzinātnes un kvantu mehānikas saplūšana, kas neeksistēja pirms 20 gadiem — radikāli mainīs šo tirdzniecību.

Kimble iecerētā revolucionārā tehnoloģija ir lieli kvantu tīkli, kas atgādina internetu, bet paļaujas uz sapīšanu. Kādas priekšrocības veicinātu šādu tīklu attīstību un ieviešanu?

Būtiskas. Kvantu tīkli jau ir izveidoti ierobežotā mērogā. 2004. gadā Kembridžā, MA tika aktivizēta pasaulē pirmā pastāvīgā kvantu kriptogrāfijas sistēma, kas savieno Hārvardu, Bostonas universitāti un DARPA līgumslēdzēju BBN Technologies (agrāk pazīstams kā Bolts Beraneks un Ņūmens, ar šo nosaukumu uzņēmums izveidoja sākotnējo ARPAnet). Mūsdienās Šveices uzņēmums id Quantique un ASV uzņēmums MagiQ Technologies piedāvā komerciālus moduļus, kuros izmanto optisko šķiedru, lai pārraidītu kvantu atslēgas fotonu veidā, kas kodēti kā biti, kontrolējot to polarizāciju, ierobežotos attālumos, kas sasniedz aptuveni 100. kilometri. Tā kā šo gaismas daļiņu pārtveršanas mēģinājums varētu traucēt to stāvokli un atklāt noklausīšanos, šādas kvantu kriptogrāfijas sistēmas piedāvā absolūtu datu drošību.

Turklāt kvantu skaitļošanas izredzes bija tas, kas nodrošināja sākotnējo stimulu kvantu tīklu izpētei. Ja šādu skaitļošanu var veikt nopietni (līdz šim eksperimentos ir izmantoti ne vairāk kā septiņi kubiti jeb kvantu bināri cipari), tā solās pārspēt klasisko skaitļošanu nozīmīgos aspektos. Skots Āronsons, MIT eksperts skaitļošanas sarežģītības jautājumos, min MIT matemātiķa Pītera Šora 1994. gadā publicēto algoritmu kā izrāvienu, kas pierādīja, ka kvantu skaitļošana ir dzīvotspējīga, pierādot, ka tā var ņemt vērā ļoti lielus skaitļus saprātīgā skaitļošanas laikā. Tā kā šis uzdevums ir bijis ārpus klasiskajiem datoriem, lielākā daļa publiskās atslēgas kriptogrāfijas līdz šim ir balstīta uz lielu skaitļu faktoringu. Bet tas būtu neaizsargāts pret kriptoanalīzi, kuras pamatā ir kvantu skaitļošana. Kā saka Āronsons, tāpēc Nacionālās drošības aģentūra ir ieinteresēta kvantu skaitļošanā. Tomēr kvantu kriptogrāfija piedāvātu datu drošību pret kvantu koda laušanu, kā arī pret regulāru kriptonalīzi.

Papildus datu drošības nodrošināšanai kvantu plašā apgabala atkārtotāju tīkliem jeb QWAN, par kuriem Kimble domā, varētu būt tikai dažas pašreizējo tīklu latentuma problēmas — tie patiešām varētu būt tikpat momentāni, cik to atļauj gaismas ātrums. Turklāt eksponenciālajam paralēlismam, kas nodrošinātu kvantu skaitļošanas jaudu — ar divām sapinušām daļiņām jeb kubitiem, kas attēlo četras dažādas vērtības, četrus kubitus 16 vērtības un tā tālāk — vajadzētu attiekties uz kvantu skaitļošanas ierīču tīkliem. Kimble saka: lai gan atsevišķu kvantu apstrādes vienību stāvokļa telpai būs lielākais sasniedzamais izmērs, to būs iespējams pārspēt, savienojot šīs vienības pilnībā kvantu tīklā. Kvantu datora stāvokļa telpa ir viss potenciālo stāvokļu diapazons, kurā dators varētu pastāvēt. Kad tiek palaists kvantu algoritms, šis skaitļošanas process sabrūk šo stāvokļu telpu un samazina datora iespējamo stāvokļu diapazonu līdz vienam: pareizai atbildei uz doto problēmu. Izmantojot kvantu datoru tīklu, Kimble apgalvo, ka katras ierīces eksponenciālā skaitļošanas jauda tiktu reizināta eksponenciāli.

MIT Seth Lloyd ir nedaudz pārdomājis kvantu tīklu dizaina iespējas. Viņš saka, ka tīkli, kas izmanto cēzija atomu ansambļus, ir viena no daudzsološākajām tehnoloģijām kvantu informācijas transportēšanai lielos attālumos. Tomēr ansambļa pieeja ir salīdzinoši apjomīga, un jo lielāka ir kvantu sistēma, jo lielākas ir skaitļošanas problēmas. Loids saka, ka uz ķēdēm balstītas pieejas, piemēram, supravadošās cilpas, ir vairāk mērogojamas nelielā telpā, un vienā shēmas platē ir potenciāli liels kubitu skaits. Bet šādas sistēmas nav piemērotas sakariem. Viņš saka, ka Kimble un es esam sadarbojušies, izstrādājot koncepcijas, izmantojot atsevišķus atomus, nevis ansambļus. Ja mēs varētu pārvietot informāciju starp atomu ansambļiem un atsevišķiem joniem un jonu slazdiem, tā ir mērogojama kvantu tehnoloģija. Pēc Loida domām, šķiet, ka ticams scenārijs ir ansambļu izmantošana sakariem un vairāk lokalizētu, mērogojamu kvantu ierīču, piemēram, supravadītāju cilpu vai jonu slazdu, izmantošana aprēķiniem.

Tātad Kimblem ir saprātīgs arguments, ka kvantu tīkli ir iespējami. Un viņa iecerētās priekšrocības — absolūta datu drošība, bez latentuma un turpmāks eksponenciāls skaitļošanas jaudas pieaugums — informācijas tirdzniecības pasaulē diez vai būtu nenozīmīgas.

Daži kvantu informācijas tehnoloģiju komerciālie pielietojumi ir diezgan acīmredzami. Cilvēku akciju tirgotāji ir sākuši paļauties uz datorizētām tirdzniecības programmām, kas pazīstamas kā augstfrekvences tirgotāji (HFT). Dažās dienās tie rada vairāk nekā pusi no Ņujorkas biržas apjoma. Lielākās tirdzniecības iestādes ir iztērējušas miljonus, izstrādājot savus algoritmus, lai analizētu tirgus datus un veiktu lielu skaitu darījumu saskaņā ar stratēģijām, kas lielākoties ir sarežģītas variācijas, iegādājoties mikrosekundes pēc dažu datu saņemšanas un pēc tam pārdodot mikrosekundes vēlāk uz citu tirgotāju rēķina, kuri nevarēja t iegūt datus vai to darījumus tik ātri. Nākotnes tirgotājiem, kuri izmanto gandrīz momentānus kvantu tīklus, būs skaidras priekšrocības salīdzinājumā ar tiem, kuri to neizmanto.

Ir iespējami arī citi komerciāli lietojumi. Skots Āronsons ieteica vienu no tiem rakstā ar nosaukumu Quantum Copy-Protection and Quantum Money. Viņš novēroja, ka kvantu stāvokļus nevar kopēt, jo jebkurš mērīšanas process tos iznīcina, kas rada iespēju izmantot kvantu stāvokļus kā neklonējamu informāciju. Lai izmantotu šo iespēju, būs nepieciešams apiet faktu, ka kvantu stāvokļi sabrūk mērīšanas laikā, un, pirmkārt, (kvantu naudas iegūšanai) jāizveido neklonējami stāvokļi, kurus var pārbaudīt kā autentiskus, un, otrkārt, (kvantu kopēšanas aizsardzības nolūkos) neklonējami stāvokļi, kas joprojām ļauj izmantot aizsargāto programmatūru, DVD, kompaktdiskus utt. Āronsons pierādīja, ka vismaz viens publiski pārbaudāmas kvantu naudas veids un divas kvantu kopēšanas aizsardzības shēmas ir teorētiski iespējamas — pirmo reizi paaugstinot iespēju par absolūti neviltotu naudu un nepārvaramu digitālo tiesību aizsardzību.

Pirmā naudas paaudze radās līdz ar monētu izgudrošanu Lidijā gandrīz pirms 3000 gadiem, otrā – ar papīra vekseļiem, ko izdeva Itālijas renesanses laikmeta bankas, bet trešā – ar elektronisko naudu un mūsdienu laikmeta virtuālo ekonomiku. Ja tādiem zinātniekiem kā Kimbls un Āronsons ir taisnība, kvantu tīkli drīzumā var radīt turpmāku naudas paaudzi.

Marks Viljamss ir līdzautors redaktors Tehnoloģiju apskats.

paslēpties