О важности научного любопытства: обзор квантовых технологий

Берешься за обзор событий в мире квантовых технологий хотя бы за последний месяц, а выясняется, что за это время произошло столько, что хватит на небольшую монографию. В великой квантовой гонке участвуют все: и страны­лидеры, к которым относится Россия, и начинающие квантовики. Каждый день — ​новые алгоритмы, новые процессоры, новые материалы, новые концепции.

20 веков вопросу

Сначала о вечном. О том, что не дает покоя ученым, начиная с Аристотеля, фантастам, священникам, журналистам. Это явление, названное в честь танганьикского школьника, — ​эффект Мпембы. Думаю, тем, кто читает мою статью, известна история мальчишки, который усомнился в законах термодинамики. Его личный эксперимент на уроке домоводства показал: горячая вода замерзает быстрее, чем холодная. Интересно, что до сих пор никто толком не смог ни опровергнуть этот факт, ни подтвердить, хотя темой (на первый взгляд лженаучной) занимаются авторитетные ученые, а под результаты их исследований отводят страницы солидные издания.

Октябрь начался с того, что один из столпов научной периодики, Physical Review Letters, опубликовал статью «Термодинамика квантового эффекта Мпембы». Оказывается, его можно наблюдать и в квантовых системах, пишут авторы из Тринити­колледжа в Дублине. Ирландские физики, работающие на стыке неравновесной термодинамики и квантовой теории, составили «рецепт» генерации эффекта Мпембы в квантовых системах. По словам руководителя группы QuSys («Термодинамика и энергетика квантовых систем») профессора Джона Гулда, придуманный ими способ нагрева позволяет системе парадоксальным образом охлаждаться экспоненциально быстрее, используя уникальные особенности квантовой динамики. «То, что вы на самом деле получаете в этом действительно крутом эффекте Мпембы, — ​способ ускорить охлаждение, а охлаждение квантовых систем — ​важнейшая задача. Я уверен, что некоторые инструменты, которые мы разрабатываем для исследования этого фундаментального эффекта, будут иметь первостепенное значение для понимания таких вещей, как тепловые потоки, и того, как свести к минимуму рассеивание», — ​не без оснований заявляет Джон Гулд. Да, кстати, по его словам, за изучение эффекта Мпембы группа взялась из научного любопытства, не ожидая никаких сенсаций. А оно вот как повернулось.

Оценка для алгоритма

Сразу 33 физика (сдается мне, это тянет на Книгу рекордов Гиннесса) из 29 научных учреждений (кажется, тоже исторический максимум) опубликовали в журнале Science статью «Вариационные тесты для квантовых задач многих тел». Авторы утверждают, что придумали универсальный способ оценки квантового преимущества. Термин весьма модный, им бросаются все кому не лень в разных контекстах. Между тем квантовое преимущество (превосходство) — ​это демонстрация решения проблемы квантовым компьютером с очевидным по сравнению с любыми классическими методами и ресурсами улучшением с точки зрения точности, времени выполнения или стоимости. И если с определением и сравнением времени и стоимости, как правило, затруднений не возникает, точность — ​категория, которая зависит от многих параметров, текущей вычислительной задачи и конкретных причин использования конкретного алгоритма для решения задачи.

Авторы статьи разработали метрику под названием «Вариационная оценка» («V-оценка») и показали, что она годится не только для квантовых алгоритмов, но и для классических. Более того, ученые утверждают: как только будут открыты новые квантовые алгоритмы, V-оценку можно использовать для анализа качества их выходных данных и выявления квантовых преимуществ.

Путь в тысячу ли начинается с первого шага

Китайские ученые построили сеть из нескольких квантовых компьютеров, расположенных на расстоянии 7 км друг от друга, чтобы объединить их вычислительные мощности. Результаты исследования напечатал журнал Nature Communications.

Отмечу, что реализация распределенных квантовых вычислений обычно сталкивается с рядом технических сложностей, а потому прежние достижения ограничивались сотнями метров, проще говоря, компьютеры стояли в одном кампусе. Основываясь на протоколе телепортации квантового вентиля, китайские физики смогли построить нелокальный квантовый вентиль между двумя квантовыми узлами на расстоянии по прямой 7 км и добились распределенного выполнения квантовых алгоритмов. Первый шаг сделан, кто сделает второй?

Мормышка для хакеров

Ну и наконец, о приятном — ​о наших достижениях. Нет, не о 50‑кубитном компьютере Российского квантового центра и Физического института им. Лебедева РАН. О нем не писал только ленивый. Портал The Quantum Insider, ссылаясь на интернет­ресурс arXiv Корнелльского университета, сообщает, что Россия готовит к сертификации свою первую квантовую систему распределения ключей (QKD), разработанную компанией QRate.

В статье на arXiv говорится, что оптоволоконную систему QKD подготовили для сертификации с помощью серии тестов и пришли к выводу, что система «кажется безопасной». Подробно описаны оценка и тестирование при использовании протокола BB84 с состояниями­приманками, так называемыми ложными целями; выявление нескольких аппаратных уязвимостей, таких как атаки детекторов, и предложенные контрмеры, такие как измерение фототока.

Состояния­приманки (метод обнаружения попыток перехвата или манипулирования квантовыми ключами) делают протокол BB84 особенно надежным. В системе QRate световые импульсы кодируются информацией с частотой 312,5 МГц, что является заметной скоростью и несет потенциал для реальных приложений. Тем не менее даже с этим протоколом авторы исследования указывают на несколько гипотетических уязвимостей в аппаратном обеспечении системы и оптических компонентах. Перечислив эти уязвимости, они заключают: «QRate впоследствии устранил все проблемы с высоким риском».

The Quantum Insider посетовал, что в России процесс сертификации квантовых технологий остается в значительной степени засекреченным и что система будет сертифицироваться в соответствии с национальными криптографическими стандартами, к которым нет широкого доступа. Интересно, с чего бы нам разбрасываться такой информацией?