- PVSM.RU - https://www.pvsm.ru -

О демонах и телепортации: две технологии, которые приближают «квантовое будущее»

Расскажем о технологиях, которые могут поспособствовать широкому распространению квантовых машин, квантовом эквиваленте демона Максвелла [1] и телепортации квантового вентиля [2].

О демонах и телепортации: две технологии, которые приближают «квантовое будущее» - 1 [3]
/ фото Wikimedia [4] PD

Кратко о парадоксе Максвелла

Демон Максвелла [1] — вымышленное существо, которое в XIX веке придумал физик Джеймс Клерк Максвелл, чтобы описать парадокс второго закона термодинамики [5].

Максвелл предложил следующий мысленный эксперимент. Берется емкость и делится перегородкой на две половины. Затем ее заполняют условно «холодными» и «горячими» молекулами газа. Эти молекулы перемешаны и перемещаются с разными скоростями.

В перегородке сделано отверстие с устройством, которое дает проходить горячим молекулам слева направо, а холодным — справа налево. Это устройство и получило название демон Максвелла. В итоге одна половина емкости нагревается, а вторая охлаждается без каких-либо затрат энергии.

Парадокс в том, что после того как молекулы «займут свои места» в емкости, энтропия системы оказывается больше, чем в своем изначальном состоянии. Это нарушает второй закон термодинамики, согласно которому энтропия [6] изолированной системы не может уменьшаться, а лишь возрастать или оставаться прежней.

Сперва физики решили, что демона Максвелла можно отождествить с вечным двигателем, так как он берет энергию «из ниоткуда». Но потом было доказано, что демон тоже тратит энергию на сортировку молекул. Значит, энергия возникает из работы демона, и законы термодинамики не нарушаются. Парадокс разрешил Лео Силард в 1929 году.

Реализовать концепцию демона Максвелла на практике стараются давно. Ряду исследователей даже удалось добиться определённых успехов. Например, в 2010 году японские исследователи разработали [7] электромеханическую модель двигателя Силларда [8], который считается разновидностью демона Максвелла. В ней использовались шарики из полистирола (которые представляли собой молекулы в оригинальной системе), плавающие по кругу в буферном растворе. Роль демона играло электрическое напряжение, подталкивающее легкие шарики менять свое направление движения.

Три года назад демона Максвелла удалось реализовать в виде одноэлектронного транзистора со сверхпроводящими алюминиевыми выводами. Однако воплотить концепцию в жизнь со значительным количеством атомов или молекул ученым не удавалось. До недавнего времени.

Квантовый демон: в чем суть

В сентябре этого года исследователям из Университета штата Пенсильвания удалось провести [9] масштабный квантовый эквивалент мысленного эксперимента. Они особым образом сгруппировали [10] разрозненный массив из большого количества атомов цезия, уменьшив энтропию системы.

Для этого команда специалистов использовала так называемую оптическую ловушку [11] с тремя парами лазеров. Она позволяет захватить атомы и охладить их до ультранизких температур (лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля).

В рамках эксперимента исследователи использовали лазеры с длиной волны в 839 нм, чтобы сформировать оптическую 3D-решетку размером 5х5х5 и поместить в нее атомы цезия. Изначально эти атомы находились в состоянии с орбитальным квантовым числом [12] (l) равным 4 и магнитным квантовым числом [13] (m) равным −4 и распределялись по решетке случайным образом. Однако по окончании эксперимента они формировали подрешетки размером 5x5x2 или 4x4x3, что уменьшало энтропию системы более чем в два раза.

Чтобы перемещать атом по решетке, ученые меняли его состояние (изменяя его квантовые числа) и переключали поляризацию одного из световых пучков. В результате атомы, находящиеся в разных состояниях, начинали «отталкиваться» и перемещаться по решетке. Когда нужно было «зафиксировать» положение атома, его квантовые числа возвращались в исходное состояние.

Чем полезна разработка

Уменьшение энтропии — многообещающая опция для создания кубитов. Использовать нейтральные атомы для квантовых вычислений — сложная задача. У них нет электрического заряда, поэтому их трудно заставить перейти в состояние квантовой запутанности [14], при котором состояния объектов зависят друг от друга.

Уменьшение энтропии в оптической ловушке атомов позволяет [9] строить квантовые вентили с меньшим количеством ошибок. А квантовые вентили [2] считаются базовыми логическими элементами квантового компьютера. Потому предложенная система позволяет в перспективе повысить вычислительную эффективность квантовой машины.

Другая технология — телепортация квантового вентиля

Чтобы квантовые машины получили широкое распространение, необходимо организовать слаженную работу сотен кубитов. Один из способов этого добиться — сделать систему модульной: объединить небольшие квантовые системы в одну большую.

О демонах и телепортации: две технологии, которые приближают «квантовое будущее» - 2
/ фото Rachel Johnson [15] CC [16]

Для этого нужно дать квантовым вентилям возможность межмодульного взаимодействия. С этой целью команда исследователей из Йельского университета разработала [17] модульную квантовую архитектуру, где квантовые вентили телепортируются [18] (передают свое состояние на расстоянии) в реальном времени.

Исследователи телепортировали логический вентиль CNOT [19] (контролируемое отрицание), который реализует операцию, похожую на «сложение по модулю 2 [20]». С учетом кодов корректировки ошибок надёжность метода составила 79%.

В перспективе, эта технология позволит организовывать модульные квантовые компьютеры, которые будет просто масштабировать.

Все это вкупе с достижением исследователей из Университета Пенсильвании приближает момент широкого распространения квантовых машин. Есть мнение, что это произойдёт [21] в ближайшие десять лет.


P.S. Дополнительные материалы из Первого блога о корпоративном IaaS:

P.P.S. Статьи по теме из нашего блога на Хабре:

Автор: ИТ-ГРАДовец

Источник [28]


Сайт-источник PVSM.RU: https://www.pvsm.ru

Путь до страницы источника: https://www.pvsm.ru/kvantovy-j-komp-yuter/294399

Ссылки в тексте:

[1] демона Максвелла: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B5%D0%BC%D0%BE%D0%BD_%D0%9C%D0%B0%D0%BA%D1%81%D0%B2%D0%B5%D0%BB%D0%BB%D0%B0

[2] квантового вентиля: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B9_%D0%B2%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%B8%D0%BB%D1%8C

[3] Image: https://habr.com/company/it-grad/blog/424821/

[4] Wikimedia: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Quantum_Computing;_Ion_Trapping_(5941055642).jpg

[5] второго закона термодинамики: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B5_%D0%BD%D0%B0%D1%87%D0%B0%D0%BB%D0%BE_%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D0%B8

[6] энтропия: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BD%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BF%D0%B8%D1%8F_%D0%B2_%D0%BA%D0%BB%D0%B0%D1%81%D1%81%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%B9_%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D0%B5

[7] разработали: https://www.nature.com/news/2010/101114/full/news.2010.606.html

[8] двигателя Силларда: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B5%D0%BC%D0%BE%D0%BD_%D0%9C%D0%B0%D0%BA%D1%81%D0%B2%D0%B5%D0%BB%D0%BB%D0%B0#%D0%94%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C_%D0%A1%D1%86%D0%B8%D0%BB%D0%BB%D0%B0%D1%80%D0%B4%D0%B0

[9] провести: https://arstechnica.com/science/2018/09/penn-state-scientists-build-quantum-version-of-maxwells-demon/

[10] сгруппировали: https://www.nature.com/articles/s41586-018-0458-7

[11] оптическую ловушку: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BE-%D0%BE%D0%BF%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D1%83%D1%88%D0%BA%D0%B0

[12] орбитальным квантовым числом: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D1%80%D0%B1%D0%B8%D1%82%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%BA%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B5_%D1%87%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%BE

[13] магнитным квантовым числом: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%BA%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B5_%D1%87%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%BE

[14] квантовой запутанности: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D0%B7%D0%B0%D0%BF%D1%83%D1%82%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C

[15] Rachel Johnson: https://www.flickr.com/photos/rachel-johnson/4304869273/

[16] CC: https://creativecommons.org/licenses/by-nd/2.0/

[17] разработала: https://www.sciencealert.com/quantum-gate-operations-teleported-reliably-first-time

[18] телепортируются: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D1%82%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%BF%D0%BE%D1%80%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F

[19] CNOT: https://ru.wikipedia.org/wiki/CNOT

[20] сложение по модулю 2: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BB%D0%BE%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D0%BF%D0%BE_%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D1%83%D0%BB%D1%8E_2

[21] произойдёт: https://www.technologyreview.com/s/609193/new-twists-in-the-road-to-quantum-supremacy/

[22] «Как дела у VMware»: обзор новых решений: https://iaas-blog.it-grad.ru/novosti/kak-dela-u-vmware-obzor-novyx-reshenij/

[23] Как разместить 100% инфраструктуры в облаке IaaS-провайдера и не пожалеть об этом: https://iaas-blog.it-grad.ru/kejsy/onlajn-uslugi-dlya-b2cb2b-iz-oblaka/

[24] Как протестировать дисковую систему в облаке: https://iaas-blog.it-grad.ru/proizvoditelnost/testirovanie-diskovoj-sistemy-v-oblake/

[25] 9 полезных советов для плавного перехода в облако: https://iaas-blog.it-grad.ru/tendencii/9-poleznyx-sovetov-dlya-plavnogo-perexoda-v-oblako/

[26] Шаг к квантовому превосходству: 49-кубитный квантовый компьютер от Intel: https://habr.com/company/it-grad/blog/347044/

[27] Создан первый молекулярный компьютер на синтетических полимерах: https://habr.com/company/it-grad/blog/341272/

[28] Источник: https://habr.com/post/424821/?utm_source=habrahabr&utm_medium=rss&utm_campaign=424821