О демонах и телепортации: две технологии, которые приближают «квантовое будущее»
Расскажем о технологиях, которые могут поспособствовать широкому распространению квантовых машин, квантовом эквиваленте демона Максвелла и телепортации квантового вентиля.
/ фото Wikimedia PD
Кратко о парадоксе Максвелла
Демон Максвелла — вымышленное существо, которое в XIX веке придумал физик Джеймс Клерк Максвелл, чтобы описать парадокс второго закона термодинамики.
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 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 электромеханическую модель двигателя Силларда, 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 масштабный квантовый эквивалент мысленного эксперимента. Они особым образом сгруппировали разрозненный массив из большого количества атомов цезия, уменьшив энтропию системы.
Для этого команда специалистов использовала так называемую оптическую ловушку 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 5×5х5 и поместить в нее атомы цезия. Изначально эти атомы находились в состоянии с орбитальным квантовым числом (l) равным 4 и магнитным квантовым числом (m) равным −4 и распределялись по решетке случайным образом. Однако по окончании эксперимента они формировали подрешетки размером 5×5x2 или 4×4x3, 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, при котором состояния объектов зависят друг от друга.
Уменьшение энтропии в оптической ловушке атомов позволяет строить квантовые вентили с меньшим количеством ошибок. А квантовые вентили 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.
/ фото Rachel Johnson CC
Для этого нужно дать квантовым вентилям возможность межмодульного взаимодействия. С этой целью команда исследователей из Йельского университета разработала модульную квантовую архитектуру, где квантовые вентили телепортируются (передают свое состояние на расстоянии) в реальном времени.
Исследователи телепортировали логический вентиль CNOT (контролируемое отрицание), который реализует операцию, похожую на «сложение по модулю 2». 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 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:
