[Из песочницы] «Кванты» здесь и сейчас (часть 1)
Думаю, данная тема может заинтересовать очень многих, ибо в последнее время она становится достаточно популярной, а что самое главное актуальной. Ну, и чтобы не разглагольствовать в пустую, сразу обозначу направление своих раcсказов. Основными темами моих рассуждений и, в идеале, обсуждений с вами, я бы хотел обозначить такие направления как квантовая коммуникация и квантовые вычисления.
Но, прежде чем обсуждать подобные вещи, хотелось бы получить от вас какую-либо информацию о том, с чего лично вам было бы приятнее начать. На мой взгляд любой разговор о квантовых вещах любого толка стоит начинать именно с изложения основных постулатов квантовой физики, но не в такой форме, как это зачастую преподносится в российских школах и ВУЗах, а в несколько иной, более интуитивно понятной. Всё, что потребуется от вас, на мой взгляд, это исключительно фантазия и наличие хоть каких-то представлений об окружающем мире, ну и не помешает, конечно же, хоть какая-то так или иначе выстроенная логика. Однако, у меня нет ни малейших сомнений, что у читателей данного портала всё это присутствует с лихвой. Так что, пожалуй, начнём.
А начать я всё же предпочту не совсем с этого.Прежде всего, мне бы хотелось поднять вопрос актуальности. Зачем всё это вообще нужно? Какие-то квантовые коммуникации, квантовые вычисления, будь они трижды неладны, как будто классические уже не подходят. Что это? Зачем это? Почему современное общество уделяет этому такое огромное внимание? Ответ до безумия прост — такая шумиха вокруг квантовых вещей вызвана двумя основными преимуществами: гораздо более высокое быстродействие с высочайшей вычислительной мощностью и, безусловно, абсолютная секретность и сохранность ваших персональных данных. И, надо отметить, значительную часть интереса современного мирового сообщества как раз и привлекает возможность оставлять свои данные непрочитанными, абсолютно секретными. И тут разговор идет вовсе не о какой-то там секретности, обусловленной якобы недостаточной мощностью современных устройств, а именно о фундаментальной, абсолютной секретностью, которая вытекает из основополагающих принципов квантовой механики. Это открывает кардинально новые возможности перед их обладателем, неподвластные «простым смертным».
Но, надо заметить, всё далеко не так просто, данный вопрос есть ни что иное, как палка о двух концах, собственно, как и всё в этом мире. Уже начиная отсюда, возможно проследить как в наши рассуждения влазит квантовая механика. Уже здесь мы сталкиваемся с таким понятием как суперпозиция. В данном случае это суперпозиция хорошего и плохого. Безусловно, это абсолютно философский вопрос, но, тут я вынужден заметить, что физика и философия всегда были неразрывно связаны друг с другом. Так что вернёмся, пожалуй к суперпозиции. Конечно же, абсолютная конфиденциальность является мечтой очень многих людей в этом мире, кроме того, многие компании, если даже не все, такие как разнообразные, связанные с армией структуры и банки, так и самые простецкие компании, занимающиеся неважно чем, готовы продать за невозможность взломать их данные чуть ли не душу. И тут я предлагаю задуматься вот о чём: так ли хороша абсолютная секретность, какой она кажется на первый взгляд? Этот вопрос я оставлю исключительно на ваше рассмотрение и предлагаю каждому решить для себя как к этому относится.
Хочу обратить внимание, что лично я отношусь к этому вопросу исключительно со стороны учёного-исследователя, и мне бы хотелось когда-нибудь всё же достичь понимания, пусть и в теории, как это должно работать и как вообще прийти к замене обычных для нас, имеющихся сейчас, систем коммуникации на квантовые. А, следовательно, в дальнейшем своем повествовании я буду придерживаться данной точки зрения, возможно, подчеркиваю, возможно, периодически уходя в сторону философских размышлений, но я постараюсь прибегать к этому как можно реже.
Так же не стоит забывать и о квантовых вычислениях. Первую часть своих статей я хотел бы посвятить как раз им, освещая в них основные понятия квантовой информатики вперемешку с необходимыми математическими знаниями. Постараюсь сделать данное изложение максимально доступным, чтобы вся информация была доступна даже людям без какой-либо подготовки в области информатики и физики. Вы можете задать резонный вопрос — зачем это необходимо и какая с этого выгода? Попытаюсь вкратце ответить на возникшие вопросы. В области квантовой информации и квантовых вычислений изучаются задачи по обработке информации, которые, как вы можете догадаться, могут быть реализованы и исполнены с помощью квантовомеханических схем. Логично и просто, не так ли? Но, как это обычно и бывает, на протяжении всей истории развития науки, прошел достаточно длинный отрезок времени, прежде чем ученые пришли к этому. Чтобы понять почему все было именно так не лишним будет рассмотреть каждую из областей, внесших в клад развитие данного направления: информатику, квантовую механику, теорию информации, линейную алгебру и, конечно же, криптографию. Это будет достаточно непросто сделать, но я постараюсь преподнести это наиболее интересно и увлекательно.
Началось всё с того, что в физике в конце XIX века возник значительный кризис идей, приводивший к большому числу парадоксов. В виду сложившейся ситуации необходимо было найти какое-либо решение данной проблемы. Изначально это было введение в классическую физику отдельных специальных гипотез, но, с улучшением понимания многих свойств атомов и излучения, к 20-м годам XX века накопилась необходимая критическая масса знаний для создания новой теории. Ей и стала квантовая механика, которая с успехом применялась для описания всевозможных объектов и явлений. Так что же представляет из себя квантовая механика? Квантовая механика есть ничто иное, как математический аппарат, используемый для построения физической теории. Грубо говоря, это своего рода костыль, необходимый для построения красивой и стройной теории. Принципы её достаточно просто, но даже ведущие специалисты находят их противоречащими обычной человеческой интуиции. Об этом свидетельствуют и мнения многих основоположников данного направления, которые так и не смогли до конца смириться, свыкнуться с тем, что они же и придумали. Истоки квантовой информации и квантовых вычислений можно при желании усмотреть как раз в стремлении физиков лучше понять квантовую механику и приспособить ее предсказания к человеческой интуиции.
Как раз одной из задач данного направления является поиск инструментария, который бы помог сделать понимание квантовой механики более интуитивно понятным, и не противоречащий нашим традиционным представлениям о мире. Нам с вами это сделать гораздо сложнее, потому что в нас еще со школы начали закладывать намного более приближенное и уже достаточно устаревшее понимание мира, а в идеале надо бы с самого начала пытаться выстраивать логику по другому, лично я вижу решение именно в этом.
К примеру, в начале 80-х гг. ученые стали задаваться вопросом, а можно ли использовать квантовые эффекты для передачи сигнала быстрее скорости света вопреки теории Эйнштейна. Решение данной проблемы свелось к тому, что необходимо было понять, возможно ли скопировать неизвестное квантовое состояние.Если бы это оказалось вполне возможным делом, то можно было бы передавать информации гораздо быстрее скорости света. Вот именно тогда то и появилась теорема о невозможности клонирования. Для классической информации копирование достаточно простая и обычная операция, в то время как в квантовой механике в общем случае это оказывается невозможным.
Помимо этого другое направление исследований внесло значительный вклад в данное направление внесло появившийся в 70-х гг. интерес к получению полного контроля над одиночными квантовыми системами. До этого контроль обычно осуществлялся над объемными образцами, содержащими огромное количество квантовомеханических систем, притом ни одна не была доступна напрямую.Тут на помощь учёным пришли ускорители элементарных частиц, которые помогали получать ограниченный доступ к этому самому пресловутому контролю отдельных систем, но он всё так же был неполным.
Для управления одиночными квантовомеханическими системами было разработано в последствии большое число методов, позволяющих узнать много новых аспектов поведения таких систем.
Так к чему же вообще все эти изыски и ухищрения в направлении достижения контроля над подобными системами? Если отбросить различные технологические причины и оставить исключительно научные, то ответ будет до смешного простым — исследователи исходили из интуитивных соображений. В науке зачастую многие значимые открытия делаются тогда, когда накапливается достаточная масса результатов в новой области исследований. Так вот сейчас мы делаем только первые шаги в освоении данной, но уже успели получить некоторые интересные и неожиданные результаты. Так чего же можно ожидать, когда мы всё-таки научимся полностью контролировать отдельные квантовомеханические системы и перенесём данные алгоритмы и понимание на управление ансамблями таких систем?
Как раз направление квантовых вычислений и квантовой теории информации и подталкивает нас к поискам новых способов управления данными системами и поиску возможностей применения полученных знаний.
И, к сожалению, несмотря на все усилия и популярность данного направления, результаты, которые мы имеем на сегодняшний дань достаточно скудны. Современная техника представлена лишь небольшими квантовыми компьютерами с ограниченным числом квантовых битов (кубитов), а так же некоторых оптических квантовых схем. Существуют даже реализации квантовых криптографических систем, способных сделать передачу данных на большие расстояния с абсолютной секретностью, но на данный момент это лишь прототипы нужных систем. Тем не менее, даже они могут сейчас они могут быть вполне полезны в каких-то практических специализированных приложениях.
Давайте вновь вернёмся к исходным вопросам. Что ждет нас в будущем? Что такого особенного могут предложить квантовые вычисления и квантовая информация науке, технике и всему человечеству? Каковы основные проблемы, которые необходимо решить? Квантовые вычисления и квантовая информация научили нас думать о вычислениях физически, благодаря чему мы обнаружили огромное количество новых возможностей в области связи и обработки информации. Конечно же, данные области ставят массу задач перед физиками и инженерами, притом не совсем понятно, к чему это приведет в долгосрочной перспективе. Квантовые вычисления и квантовая информация дают новые возможности, позволяющие переходить от более простого к более сложному. Кроме того, идеи из этих направлений позволяют формировать новые взгляды на физику, что так же немаловажно.
В предложенной статье, были достаточно кратко и обзорно рассмотрены некоторые ключевые цели, мотивации, лежащие в основе данных интересующих нас областей. Помимо этого я постарался привести совсем короткий исторический экскурс по части физики, показывающий часть предыстории, приведшей к появлению квантовых вычислений и квантовой теории информации. Помимо физики, не помешало бы рассмотреть так же, как я уже и говорил, историю развития информатики, теории информации и криптографии. Всё это я оставлю на следующие статьи, если это вызовет у кого-то интерес. А на сегодня, пожалуй, всё.
Спасибо за внимание!
