Europa pristato savo kvantinės ateities viziją

Lenktynės dėl kvantinio pasaulio užkariavimo yra vienos aršiausių technologijų konkurencijos. Kinija ir JAV investavo milijardus, kad sukurtų naujus būdus, kaip išnaudoti keistus fizikos dėsnius, kuriuos suteikia kvantiniai efektai. Pažadas – nauja kompiuterijos ir komunikacijos era ir, žinoma, apie nesvajojamus turtus.

Per visą jaudulį viena pasaulio dalis paliekama nuošalyje. Europa turi turtingą kvantinės fizikos inovacijų istoriją, tačiau pastaraisiais metais ji pradėjo atsilikti nuo savo pasaulinių konkurentų.

Štai kodėl Europos Komisija 2016 m. paskelbė, kad investuoja milijardą eurų į mokslinius tyrimus, vadinamus Kvantinės technologijos flagmanu. Šio projekto tikslas – sukurti keturias technologijas: kvantinį ryšį, kvantinį modeliavimą, kvantinį skaičiavimą ir kvantinį jutimą. Kaip sekasi po beveik dvejų metų?

Kvantinių sistemų valdymas yra didelis iššūkis.

Šiandien mes galime susipažinti su Europos kvantinių technologijų plano paskelbimu – atnaujinta dokumento versija, kurioje nustatomi projekto tikslai per ateinančius 10 metų. Konkrečiai, jame apibūdinamos dvi naujos sritys, kurios susilaukė mažiau susidomėjimo kitose pasaulio dalyse – kvantinė programinė įranga ir kvantinė kontrolė. Tai gali turėti reikšmingų pasekmių Europos kvantinių technologijų ateičiai.

Dokumentas pradedamas apibrėžiant dėmesio sritis. Pirmoji, kvantinė komunikacija, suteikia galimybę siųsti duomenis iš vienos vietos į kitą su visišku privatumu, garantuojamu fizikos dėsnių. Tai tampa vis svarbiau, nes kita technologija – kvantinis skaičiavimas – netrukus galės sulaužyti šiandien dažniausiai naudojamą šifravimą. Saugus bendravimas yra vienas iš šiuolaikinės visuomenės pamatų, įgalinantis elektroninę prekybą ir užtikrinantis verslo, valdžios ir karinių ryšių privatumą.

Problema ta, kad esamos kvantinės komunikacijos sistemos yra brangios ir sudėtingos valdyti bei paleisti. Kitas šių sistemų evoliucijos etapas – padaryti jas daug lengviau valdomas.

Komisija teigia, kad tai neišvengiama: per ateinančius trejus metus numatoma sukurti autonomines [kvantinės komunikacijos] sistemas per didmiesčių atstumus, kurios padėtų mažoms diegimo sąnaudoms, dideliems saugiems raktams (> 10 Mbps) ir tankinimui.

Kita problema yra ta, kad kvantinis ryšys veikia tik per maždaug 100 kilometrų tašką-tašką. Taigi mokslininkai taip pat dirba su kvantiniais maršrutizatoriais, kurie gali siųsti signalus daug toliau. Po 6 metų tikriausiai pamatysime [kvantinės komunikacijos sistemas] bandomuosiuose tinkluose, demonstruojančias didelius atstumus per patikimus mazgus, didelio aukščio platformų sistemas arba palydovus, taip pat kelių mazgų arba perjungiamus miesto tinklus. reikalauja inicijuoti didelio masto infrastruktūros projektus, rašoma pranešime.

Kita sritis yra kvantinis skaičiavimas, kuris naudoja kvantinius procesus įspūdingam duomenų apdorojimo našumui generuoti. Jau keletą metų tai buvo įmanoma vos kelių kvantinių bitų arba kubitų mastu. Šiandienos iššūkis yra padidinti kvantinių kompiuterių mastą iki 100 kubitų ar daugiau.

Šiame veiksmų plane nurodomi penki galimi būdai, kaip tai padaryti, naudojant sistemas, kurios skirtingai saugo ir apdoroja kvantinę informaciją. Tai apima informacijos saugojimą jonuose, įstrigtuose magnetiniame lauke arba atominiuose branduoliuose, įterptuose į silicį ar anglį, srovės sraute per mažas superlaidžias grandines arba fotonuose, keliaujančiuose per fotonines grandines.

Komisija aiškiai tikisi didelio masto kvantinio apdorojimo naudojant vieną ar daugiau šių technologijų per penkerius–10 metų. Ar tai pirmiausia bus padaryta Europoje, daug mažiau aišku.

Kvantinis modeliavimas yra trečioji investicijų sritis. Sudėtingų kvantinių savybių modeliavimas paprastame kompiuteryje yra beveik neįmanomas. Tačiau kvantinės sistemos gali būti sukurtos taip, kad daugiau ar mažiau puikiai imituotų kitų kvantinių sistemų aspektus.

Fizikai žaidžia įvairiais būdais tai padaryti. Pagrindinė idėja yra rasti kvantinę sistemą, kuri būtų gerai suprantama, kurią būtų lengva manipuliuoti ir išmatuoti, o tada panaudoti ją, kad būtų galima imituoti sistemą, kuria sunku manipuliuoti ir išmatuoti.

Gerai suprantamos sistemos apima itin šaltus atomus ir molekules, jonus, įstrigusius magnetiniuose laukuose, ir superlaidžias grandines. Sudėtingesnės sistemos, kurias fizikai nori suprasti, atsiranda didelės energijos fizikoje, kosmologijoje, statistinėje fizikoje ir net biologijoje, kur kvantiniai procesai atlieka svarbų vaidmenį perduodant energiją. Žadama, kad kvantinis modeliavimas gali suteikti įžvalgų visose šiose srityse.

Tačiau yra didelių iššūkių. Tai apima įdomių sistemų, kurias galima modeliuoti naudojant esamus metodus, paiešką ir atitinkamo eksperimento sukūrimą. Be to, fizikai turi rasti būdų, kaip įsitikinti, kad sistema teisingai atliko modeliavimą.

Kiek tai bus įmanoma per ateinančius 10 metų, dar neaišku.

Ketvirtoji dominanti sritis yra kvantinis jutimas ir metrologija. Idėja yra ta, kad jei norime išnaudoti kvantinį pasaulį, turime sugebėti jį išmatuoti ir pajusti. Tai reiškia, kad visata turi būti matuojama atomų ir fotonų skalėje per atitinkamą trumpą laiką.

Fizikai tam turi daug įvairių įrankių, tačiau juos visus reikia tobulinti. Taigi kvantiniai laikrodžiai turi būti tikslesni, atominiai jutikliai turi būti jautresni, o optomechaniniai jutikliai turi būti pajėgesni.

Kelių žemėlapis baigiamas aptariant dvi naujas dominančias sritis. Pirmasis yra kvantinis valdymas: galimybė manipuliuoti kvantinėmis sistemomis naudojant išorinius elektromagnetinius laukus ar jėgas. Kvantinio optimalaus valdymo tikslas – sukurti ir įgyvendinti išorinių laukų impulsų formas arba tokių impulsų sekas, kurios geriausiu įmanomu būdu pasiektų užduotį kvantinėje sistemoje.

Kitaip tariant, kalbama apie kvantinių sistemų stumdymą radijo bangomis ir lazerio spinduliais, kad jos veiktų tam tikrais būdais. Tikimasi, kad toks tikslus kvantinių sistemų valdymas leis, be kita ko, atlikti didelio masto kvantinį skaičiavimą ir modeliavimą.

Antroji iš šių naujų sričių yra kvantinės programinės įrangos kūrimas, kurią sukurti daug sunkiau nei įprastą programinę įrangą, nes kubitai gali egzistuoti ir kaip 0 smėlis vienas s tuo pačiu metu. Tai reiškia, kad keli kubitai gali lygiagrečiai atlikti daugybę skaičiavimų, todėl kvantiniai kompiuteriai yra tokie nepaprastai galingi.

Tačiau iš šių skaičiavimų sunku gauti atsakymą. Dėl to kvantiniai algoritmai tampa labai trapūs.

Gali būti, kad kvantiniai algoritmai gali žymiai pranokti klasikinius skaičiavimus. Tačiau iš tikrųjų sudėtinga rasti algoritmus, galinčius tai padaryti. Ši programinė įranga turės veikti tiek kompiuterių, tiek viso tinklo mastu. Pažanga šioje srityje gali suteikti Europai galimybę aplenkti konkurentus, turinčius pranašumą kuriant techninę įrangą.

Viena iš įdomiausių problemų yra kvantinės informacijos teorijos kūrimas. Klasikinė informacijos teorija, kurią 1940-aisiais ir 50-aisiais sukūrė matematikas ir inžinierius Claude'as Shannonas, tapo šiuolaikinės skaičiavimo ir komunikacijos pagrindu. Panašiai galinga kvantinės informacijos teorija išvengia teoretikų, tačiau jos plėtojimas yra svarbus tikslas Europoje. Daug kas priklausys nuo rezultato.

Jei šis planas yra tiksli Europos požiūrio į kvantinių technologijų plėtrą santrauka, jos pasauliniai konkurentai vargu ar drebės. Daugeliu atvejų planas neturi ambicijų dirbti kitur. Pavyzdžiui, Kinija jau turi orbitoje esantį palydovą, galintį palaikyti kvantinį ryšį su žeme, ir to pavydi kvantinė bendruomenė visame pasaulyje.

Išimtys yra kvantinio valdymo ir kvantinės programinės įrangos srityse. Tai įgalinančios technologijos, plačiai pritaikomos kvantiniame pasaulyje ir galėtų tapti svarbiu tramplinu Europai.

Vienas didelis nežinomasis yra pramonės vaidmuo kvantinių technologijų ateityje. Europa labai trokšta bendradarbiauti su tokiomis įmonėmis kaip „Google“, IBM ir „Microsoft“, kurios visos kuria savo kvantines technologijas. Tačiau didžioji šio darbo dalis iki šiol buvo atlikta JAV. Šio dėmesio keitimas turi būti prioritetas, jei Europa nori gauti tinkamą atlygį iš savo milijardų eurų investicijų.

Nuoroda: arxiv.org/abs/1712.03773 : Europos kvantinių technologijų veiksmų planas

paslėpti