Человечество на пороге квантового скачка

История квантовой механики началась 14 декабря 1900 года (119 лет назад), когда немецкий физик Макс Планк зачитал свою историческую статью «К теории распределения энергии, излучения в нормальном спектре» в которой он ввел постоянную h (6,626 068 96(33)×10−34 Дж*с). Гипотеза Планка состояла в том, что для элементарных частиц любая энергия поглощается или испускается только дискретными порциями (квантами). А добрый дядька Эйнштейн в 1905 году для объяснения фотоэффекта, применив свой еврейский характер, использовал квантовую гипотезу Планка, предположив, что свет состоит из квантов. Позже кванты получили новое название – фотоны. В 1925-1926 годах были заложены основы квантовой теории в виде квантовой механики, содержащей новые фундаментальные законы кинематики и динамики.

Если обобщить все знания квантовой механики, то ученые-футорологи ожидают от новой теории: сверхпроводимости, сверхтекучести, сверхтеплопроводности и других полезных явлений. Переводя на русский язык, человечество сможет овладеть подобием телепортации (квантовая запутанность), антигравитации (поднимать тяжелые ракеты с минимальным количеством топлива или без оного), лазерные мечи (рассекающие врага как кисель), модификаторы центральной нервной системы реализующие фантастические эффекты и другие, доселе неизвестные технологии будущего. Но все это детские забавы по сравнению с тем, что можно вывести из квантовой механики говоря о видимой реальности и дополнительных измерениях в пространстве-времени. Одно дело новые технологии, другое само осознание и понимание жизни без искажений, обходя предохранитель в нашем мозгу. Чувственный опыт – это лживая система сенсорных чувств, построенная слепой эволюцией, показывающая нам ту действительность, которая, по сути ей не является. Эксперименты квантовой механики показывают совсем иную природу Вселенной и ставят под сомнение всю реальность видимого 4-х мерного измерения (4-е измерение абстрактное время). Настало время адаптировать наше понимание мира к новым реалиям. Реалии же таковы, что технологии на основе квантовой теории уже прочно входят в нашу жизнь. И отрицать это – значит отстать от жизни безнадежно.

Квантовые компьютеры

Новый компьютер IBM, полноценный запуск которого запланирован на октябрь 2019 года, оперирует 53-квантовыми битами, или кубитами. У Google есть 72-кубитное устройство, но компания не позволяет посторонним запускать на нем программы, а машина IBM будет доступна через облако для всех желающих.

IBM продвигает квантовые вычисления через облако с 2016 года. Компания также открывает новый центр в штате Нью-Йорк, в котором будет размещено еще больше устройств. Там будут расположены пять компьютеров с 20-кубитным квантовым чипом, но уже к следующему месяцу их количество увеличится до 14. Другие компании, разрабатывающие квантовые компьютеры, такие как Rigetti Computing и Canada’s D-Wave, также планируют запустить облачные сервисы.

IBM запустила проект по созданию первого в мире коммерческого квантового компьютера IBM Q в 2017 году. Компьютер сделали облачным — доступ к нему возможен через IBM Cloud.

В том же году российские и американские ученые из Гарвардского университета, работающие в группе Михаила Лукина, создали квантовый компьютер из 51 кубита.

В отличие от классических цифровых компьютеров, у которых память построена на принципе двоичного кода (0 или 1, «да» или «нет»), квантовые компьютеры строят на основе кубитов — квантовых битов. Они тоже допускают два состояния (0 и 1), но благодаря своим квантовым свойствам кубит дополнительно допускает еще и состояния суперпозиции, то есть, условно говоря, еще массу промежуточных состояний между двумя основными состояниями, описываемых комплексными (мнимыми) числами. Понятно, что при таких условиях мощность и быстродействие квантового компьютера на несколько порядков выше.

Саму идею использовать квантовые вычисления для решения чисто математических задач предложил еще в 1980 году Юрий Манин из Института имени Стеклова, а год спустя принцип построения квантового компьютера сформулировал Ричард Фейнман. Но прошли десятилетия, прежде чем появились технологии, способные реализовать их идеи на практике.

Главной проблемой было создать устойчиво работающие кубиты. Группа Лукина использовала для них не сверхпроводники, а так называемые холодные атомы, которые удерживаются внутри лазерных ловушек при сверхнизких температурах. Это позволило физикам создать квантовый вычислитель из 51 кубита и обойти на тот момент своих коллег группы Кристофера Монро из университета штата Мэриленд (5-кубитныое устройство) и группы Джона Мартиниса из компании Google (22-кубитное устройство).

В ближайшее время ученые намерены продолжить эксперименты с квантовым компьютером. Помимо решения чисто научных задач из области квантовой механики профессор Лукин не исключает, что его команда попытается реализовать на нем знаменитый квантовый алгоритм Шора, перед которым бессильны существующие ныне системы шифрования. Но и других практических областей, где новое поколение компьютеров могло бы произвести революцию, множество. Например, гидрометеорология, где сейчас явно не хватает мощности существующих вычислительных устройств для повышения точности прогнозов погоды.

Квантовые компьютеры делают первые шаги, но не за горами время, когда они станут такой же обыденностью, как нынешние ПК.

Квантанем отсюда

Китайские ученые из университета Шанхая впервые летом 2017 года смогли передать информацию между запутанными частицами сквозь морскую воду. Иными словами – у них получилось совершить квантовую телепортацию под водой. Это исследование было опубликовано в журнале Optics Express.

В ходе эксперимента китайские ученые передали информацию через трехметровый резервуар с морской водой из Желтого моря. Физики создали пару запутанных фотонов, пропустив квант света через специально подобранную кристаллическую решетку. Получились фотоны со взаимно противоположной поляризацией, которые сохраняют «непохожесть» друг на друга при изменении квантового состояния одной частицы из пары. Фотоны разместили по разным сторонам резервуара. Успешность эксперимента составила 98% — именно в таком количестве случаев физикам удалось передать квантовое состояние фотонов, несмотря на метры морской воды между ними.

Физики уверены, что они таким образом могут отправлять несвязанные сообщения сквозь жидкость на расстояние в 900 метров. Ранее подобные эксперименты проводились только в воздухе, оптоволокне и открытом космосе.

В будущем квантовые телепортация и криптография позволят создать защищенную связь в воде для военных. Как только ученые разработают полноценные квантовые компьютеры, то они смогут легко расшифровать существующие ныне сигналы, передающие секретную информацию. Обычные компьютеры сейчас такое сделать не в состоянии. А зашифрованная квантовым образом информация будет защищена и от квантовых компьютеров, - считает Дмитрий Вавулин, научный сотрудник лаборатории квантовой информатики Международного института Фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО

Квантовая телепортация — термин, не имеющий ничего общего с телепортацией, которую обычно показывают в фантастических фильмах. Речь идет о передаче информации, а не материи. Основа квантовой телепортации — запутанность фотонов. Этот феномен означает, что две частицы неразрывно связаны между собой. В зависимости от того, что происходит с одной из них, характеристики другой будут меняться вне зависимости от расстояния.

Российские физики объединили банки первой рабочей линией квантовой связи

Физики и инженеры из Российского квантового центра в том же 2017 году запустили между двумя московскими отделениями Сбербанка первую рабочую линию квантовой связи, по которой передали реальные финансовые данные, сообщает пресс-служба компании. Эта первая полноценная промышленная линия связи соединила отделения Сбербанка, между которыми примерно 25 километров

В основе современных квантовых технологий лежит феномен квантовой запутанности. Это явление, в частности, играет важную роль в системах защищенной квантовой связи, в которых полностью исключена возможность незаметной прослушки, поскольку законы квантовой механики запрещают клонирование состояния частиц света. Сейчас системы квантовой связи активно разрабатывают в Европе, Китае и США.

Квантовые линии связи, развёртывание которых вместе с квантовыми компьютерами учёные ожидают на рубеже 2021–2023-х годов, позволят на какое-то время обеспечить полную конфиденциальность любых передаваемых по такой сети данных.

"Стелс", я тебя вижу. Как работают квантовые радары?

Пока в КНР испытывают экспериментальный квантовый радар с дальностью до 100 километров, в России полным ходом идут испытания предсерийного изделия, применение которого в буквальном смысле изменит ход истории.

Помимо квантовых компьютеров и сетей передачи данных, разработка и внедрение которых позволит избавить человечество от возможности перехвата данных, одним из наиболее перспективных направлений остаются квантовые радиолокационные системы (квантовые радары). Эта технология станет основополагающей в ближайшие несколько лет — истребители шестого поколения, уникальные подводные лодки и системы предупреждения о ракетном нападении смогут работать в тысячи раз быстрее, а в гонку за готовым изделием уже включились Китай, Россия и США.

При этом первые прототипы "стреляющей светом" РОФАР — радиооптической фазированной антенной решётки — были собраны и протестированы в России ещё 15 лет назад. В создание аналогичной системы включился и Китай, однако дальше изготовления макета дело не дошло. Помимо "железок" потребовался уникальный софт. Источники отмечают, что долгое время специалисты из КНР под разными предлогами пытались купить и программное обеспечение, и специалистов, предлагая совершенно безумные деньги. Диалога не сложилось, а не вполне законные попытки узнать секрет русского квантового радара пресекались спецслужбами.

Изделие через некоторое время будет готово для установки на истребители Су-35, которые относят к поколению 4++. Эта технология, по данным экспертов, стала причиной повышенного внимания к российским истребителям. РОФАР, тестирование которой на действующем истребителе может начаться уже до 2021 года, позволит истребителям поколения 4++ обнаруживать и "заранее" сбивать любые стелс-машины, включая малозаметные американские истребители F-22, F-35 и бомбардировщики B-2.

А что же общественные науки и философия?

Тут квантовая теория тоже оказалась как нельзя кстати. Приведу только один пример практического применения квантовой механики в диалектике. Помните закон диалектики о переходе количества в качество? Так вот этот закон реализуется с помощью так называемого квантового скачка или квантового перехода. Когда приводится хрестоматийный пример о нагревании и кипении воды в чайнике при достижении температуры кипения, например, то происходящие в этот момент изменения происходят именно в атомах. Электроны при достижении предела усвоенной энергии перескакивают на более дальние орбиты, причем делают это мгновенно, телепортируясь. То же самое происходит и при обратном процессе, конденсации пара – только в этом случае электроны перескакивают на более низкие орбиты. На уровне частиц телепортация – явление обыденное, один из механизмов реализации закона диалектики об переходе количества в качество и обратно.

Что квантовая механика может дать человеку?

Квантовая механика кардинально меняет представление об окружающем мире. Прежде всего нужно осознать, что привычный мир «твердых» объектов – существует лишь ВНУТРИ нас. Вся «реальность», данная нам в ощущениях – лишь наша интерпретация, результат работы органов чувств и мозга. Объективно, вне нашего воспринятого и сконструированного образа наблюдаемые нами предметы, явления, события – в привычном понимании НЕ СУЩЕСТВУЮТ. Каждый из нас, взаимодействуя с миром, с другими людьми, на самом деле взаимодействует сам с собой, с теми образами, которые запечатлел в своей картине мира. Другими словами, мы привыкли видеть трехмерный мир, а квантовая механика говорит, что мир не трехмерный, а как минимум 5-мерный.

С четвертым измерением – временем все более-менее понятно. Как выглядел бы человек в четырех измерениях – художники нарисовали свои варианты. Но познание на этом не остановилось.

Второй важный момент для любого человека – вероятности будущих событий. Квантовая теория раскрыла новое измерение (пятое) – это вероятности или развилки во времени. Реализуются разные варианты события, в зависимости от разных факторов, в том числе от количества энергии и уровня восприятия у наблюдателя, то есть у вас. Если, к примеру, мы хотим, чтобы в России установилась власть трудового народа – то придется немало поработать нам всем для этого, насытить ветку вероятности нашей победы достаточной энергией и тогда она реализуется. А пока что народный протест напоминает вялое бултыхание лягушки, которую варят на медленном огне. 99,9% вероятности при таком раскладе, что нас буржуи просто «сварят и скушают». Так что учитесь работать с вероятностями и прилагайте достаточно усилий для реализации нужной из них – от этого, прежде всего, зависит ваше будущее.