При поддержке

Квантовый компьютер уже доступен каждому?-Рассказывает Алена Мастюкованаучный сотрудник группы «Квантовые информационные технологии» Российского квантового центра и лаборатории университета МИСИС

Все любят котят и гулять, а я — физику!

1.
Меня зовут Алена, я не просто ученый, я квантовый ученый и работаю в Российском квантовом центре и университете МИСИС. Основная моя должность — научный сотрудник группы «Квантовые информационные технологии». Мне всего 25 лет, и все квантовое будущее у меня только впереди. Быть женщиной-ученым — это очень круто, потому что в современном мире меньше смотрят на то, женщина ты или мужчина, ценят твой ум, талант и твои стремления. А не то, как я готовлю, мама!
Пока мои одногруппницы учились завязывать бант, я осваивала дискриминант
Интерес к точным наукам у меня с самого детства: мне всегда было интереснее раскладывать кубики, чем куклы и дочки-матери. Я любила геометрические предметы в играх и пересчитывать, сколько же у меня карандашей в пенале. 18, их всегда было 18.

Когда я ходила в детский садик, я научилась быстрее всех считать и решать очень легкие математические задачки.
А еще мне очень нравилось рисовать, но все мои рисунки больше были похожи на квадраты, треугольники и круги. Позже все мои идеи украли создатели игры «Майнкрафт».
В седьмом классе я поняла, что мой самый любимый предмет — это физика. Мне понравилось, что есть аппарат и язык, который позволяет нам описать простые вещи. которые окружают нас каждый день. Например, когда-то мне «взорвало мозг» уравнение движения с ускорением. И как теперь я вижу, я не ошиблась в выборе: задачи стали еще интереснее и сложнее. А это всегда будоражит ум. Я вообще обожаю будоражить ум.
На третьем курсе для дипломной работы я выбрала тему «Квантовая телепортация». Я мало знала о квантовых вычислениях, но знала, что такое телепортация. Я нашла руководителя, который эту тему курировал, и он дал мне мою самую первую задачку по квантам. Конечно же, с первого раза я ее не решила, как и любой нормальный студент. Но пыхтела я долго, около полутора месяцев. А потом и самой задачей занялась, а по дороге я узнала столько о квантах, что это просто заставило меня продолжать. Так я и попала в команду Российского квантового центра и стала частью очень-очень большой цели — построения в России первого квантового компьютера. И меня окончательно затянуло в сферу квантов.
Чья кошка сидит в ящике?
Неверно. Важный для области квантовой физики и широко известный эксперимент «кот Шрёдингера» был предложен Эрвином Шрёдингером в ответ на работу Эйнштейна, Подольского и Розена. Шрёдингер обсуждает интерпретацию квантовой механики, в частности, физический смысл волновой функции: «Посадим кошку в стальной сейф вместе с адской машиной (защищённой от кошки). В счётчик Гейгера положена крупинка радиоактивного вещества, столь малая, что за час может распасться один из атомов, но с такой же вероятностью может не распасться ни один. Если атом распадается, счётчик через реле приведёт в действие молоточек, который разобьёт колбу с синильной кислотой. Предоставив эту систему самой себе в течение часа, мы скажем, что кошка ещё жива, если за это время не распался ни один атом. Первый же распад привёл бы к отравлению кошки. Волновая функция всей системы выразила бы это тем, что живая и мёртвая кошка смешаны или размазаны в одинаковых пропорциях».

Понятно, что кошка не может быть живой и мёртвой одновременно. Таким образом, мы не можем считать, что реальность действительно «размазана» в соответствии с волновой функцией.
Неверно. Важный для области квантовой физики и широко известный эксперимент «кот Шрёдингера» был предложен Эрвином Шрёдингером в ответ на работу Эйнштейна, Подольского и Розена. Шрёдингер обсуждает интерпретацию квантовой механики, в частности, физический смысл волновой функции: «Посадим кошку в стальной сейф вместе с адской машиной (защищённой от кошки). В счётчик Гейгера положена крупинка радиоактивного вещества, столь малая, что за час может распасться один из атомов, но с такой же вероятностью может не распасться ни один. Если атом распадается, счётчик через реле приведёт в действие молоточек, который разобьёт колбу с синильной кислотой. Предоставив эту систему самой себе в течение часа, мы скажем, что кошка ещё жива, если за это время не распался ни один атом. Первый же распад привёл бы к отравлению кошки. Волновая функция всей системы выразила бы это тем, что живая и мёртвая кошка смешаны или размазаны в одинаковых пропорциях».

Понятно, что кошка не может быть живой и мёртвой одновременно. Таким образом, мы не можем считать, что реальность действительно «размазана» в соответствии с волновой функцией.
Верно! Важный для области квантовой физики и широко известный эксперимент «кот Шрёдингера» был предложен Эрвином Шрёдингером в ответ на работу Эйнштейна, Подольского и Розена. Шрёдингер обсуждает интерпретацию квантовой механики, в частности, физический смысл волновой функции: «Посадим кошку в стальной сейф вместе с адской машиной (защищённой от кошки). В счётчик Гейгера положена крупинка радиоактивного вещества, столь малая, что за час может распасться один из атомов, но с такой же вероятностью может не распасться ни один. Если атом распадается, счётчик через реле приведёт в действие молоточек, который разобьёт колбу с синильной кислотой. Предоставив эту систему самой себе в течение часа, мы скажем, что кошка ещё жива, если за это время не распался ни один атом. Первый же распад привёл бы к отравлению кошки. Волновая функция всей системы выразила бы это тем, что живая и мёртвая кошка смешаны или размазаны в одинаковых пропорциях».

Понятно, что кошка не может быть живой и мёртвой одновременно. Таким образом, мы не можем считать, что реальность действительно «размазана» в соответствии с волновой функцией.
Неверно. Важный для области квантовой физики и широко известный эксперимент «кот Шрёдингера» был предложен Эрвином Шрёдингером в ответ на работу Эйнштейна, Подольского и Розена. Шрёдингер обсуждает интерпретацию квантовой механики, в частности, физический смысл волновой функции: «Посадим кошку в стальной сейф вместе с адской машиной (защищённой от кошки). В счётчик Гейгера положена крупинка радиоактивного вещества, столь малая, что за час может распасться один из атомов, но с такой же вероятностью может не распасться ни один. Если атом распадается, счётчик через реле приведёт в действие молоточек, который разобьёт колбу с синильной кислотой. Предоставив эту систему самой себе в течение часа, мы скажем, что кошка ещё жива, если за это время не распался ни один атом. Первый же распад привёл бы к отравлению кошки. Волновая функция всей системы выразила бы это тем, что живая и мёртвая кошка смешаны или размазаны в одинаковых пропорциях».

Понятно, что кошка не может быть живой и мёртвой одновременно. Таким образом, мы не можем считать, что реальность действительно «размазана» в соответствии с волновой функцией.
Дальше
Узнать результат
Как называется явление, при котором квантовые состояния двух объектов оказываются взаимозависимыми?
Неверно. Квантовая запутанность — квантовомеханическое явление, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми. Представим пару фотонов, находящихся в запутанном состоянии: если при измерении первой частицы её спиральность оказывается положительной, то спиральность второй всегда оказывается отрицательной, и наоборот.

Такая взаимозависимость сохраняется, даже если эти объекты разнесены в пространстве за пределы любых известных взаимодействий.

Измерение параметра одной частицы сопровождается мгновенным (быстрее скорости света) прекращением запутанного состояния другой.
Верно! Квантовая запутанность — квантовомеханическое явление, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми. Представим пару фотонов, находящихся в запутанном состоянии: если при измерении первой частицы её спиральность оказывается положительной, то спиральность второй всегда оказывается отрицательной, и наоборот.

Такая взаимозависимость сохраняется, даже если эти объекты разнесены в пространстве за пределы любых известных взаимодействий.

Измерение параметра одной частицы сопровождается мгновенным (быстрее скорости света) прекращением запутанного состояния другой.
Неверно. Квантовая запутанность — квантовомеханическое явление, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми. Представим пару фотонов, находящихся в запутанном состоянии: если при измерении первой частицы её спиральность оказывается положительной, то спиральность второй всегда оказывается отрицательной, и наоборот.

Такая взаимозависимость сохраняется, даже если эти объекты разнесены в пространстве за пределы любых известных взаимодействий.

Измерение параметра одной частицы сопровождается мгновенным (быстрее скорости света) прекращением запутанного состояния другой.
Неверно. Квантовая запутанность — квантовомеханическое явление, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми. Представим пару фотонов, находящихся в запутанном состоянии: если при измерении первой частицы её спиральность оказывается положительной, то спиральность второй всегда оказывается отрицательной, и наоборот.

Такая взаимозависимость сохраняется, даже если эти объекты разнесены в пространстве за пределы любых известных взаимодействий.

Измерение параметра одной частицы сопровождается мгновенным (быстрее скорости света) прекращением запутанного состояния другой.
Дальше
Узнать результат
Какой эффект неизбежно влияет на явление?
Да! В физике эффектом наблюдателя называют теорию, что простое наблюдение явления неизбежно изменяет его. Эффект наблюдателя хорошо известен в квантовой механике: в зависимости от присутствия или отсутствия наблюдателя электроны ведут себя двояко — как частицы или как волны.
Нет! В физике эффектом наблюдателя называют теорию, что простое наблюдение явления неизбежно изменяет его. Эффект наблюдателя хорошо известен в квантовой механике: в зависимости от присутствия или отсутствия наблюдателя электроны ведут себя двояко — как частицы или как волны.
Нет! В физике эффектом наблюдателя называют теорию, что простое наблюдение явления неизбежно изменяет его. Эффект наблюдателя хорошо известен в квантовой механике: в зависимости от присутствия или отсутствия наблюдателя электроны ведут себя двояко — как частицы или как волны.
Нет! В физике эффектом наблюдателя называют теорию, что простое наблюдение явления неизбежно изменяет его. Эффект наблюдателя хорошо известен в квантовой механике: в зависимости от присутствия или отсутствия наблюдателя электроны ведут себя двояко — как частицы или как волны.
Дальше
Узнать результат
Состоянием Шрёдингеровского кота является:
Да, согласно квантовой механике, если над ядром (находящимся в ящике с котом ядом) не производится наблюдение, то его состояние описывается суперпозицией (смешением) двух состояний — распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике, жив и мёртв одновременно. Такое состояние на практике можно описать как суперпозицию состояний нуля или единицы.
Почти, но согласно квантовой механике, если над ядром (находящимся в ящике с котом ядом) не производится наблюдение, то его состояние описывается суперпозицией (смешением) двух состояний — распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике, жив и мёртв одновременно. Такое состояние на практике можно описать как суперпозицию состояний нуля или единицы.
Почти, но согласно квантовой механике, если над ядром (находящимся в ящике с котом ядом) не производится наблюдение, то его состояние описывается суперпозицией (смешением) двух состояний — распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике, жив и мёртв одновременно. Такое состояние на практике можно описать как суперпозицию состояний нуля или единицы.
Почти, но согласно квантовой механике, если над ядром (находящимся в ящике с котом ядом) не производится наблюдение, то его состояние описывается суперпозицией (смешением) двух состояний — распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике, жив и мёртв одновременно. Такое состояние на практике можно описать как суперпозицию состояний нуля или единицы.
Дальше
Узнать результат
Каким математическим объектом описывается чистое состояние квантовой системы?
Не-а. Волновая функция — это комплексная функция, описывающая состояние квантовомеханической системы. Её знание позволяет получить максимально полные сведения о системе, принципиально достижимые в микромире.
Не-а. Волновая функция — это комплексная функция, описывающая состояние квантовомеханической системы. Её знание позволяет получить максимально полные сведения о системе, принципиально достижимые в микромире.
Правильно! Волновая функция — это комплексная функция, описывающая состояние квантовомеханической системы. Её знание позволяет получить максимально полные сведения о системе, принципиально достижимые в микромире.
Не-а. Волновая функция — это комплексная функция, описывающая состояние квантовомеханической системы. Её знание позволяет получить максимально полные сведения о системе, принципиально достижимые в микромире.
Дальше
Узнать результат
Эксперимент с каким названием предложил в 1935 году Эйнштейн?
Почти, но это — мышь Эйнштейна — одно из сказочных существ, обитавшее во вселенной мысленных экспериментов. Почему обитавшее? Потому что мышь Эйнштейна была съедена котом Шрёдингера. Шутка!

А дело было так. Проблема наблюдения стала известной после спора между Эйнштейном и Бором, когда Эйнштейн сказал: «Если, согласно квантовой теории, наблюдатель создает или частично создает наблюдаемое, то мышь может переделать вселенную, просто посмотрев на нее». Поскольку это кажется абсурдом, Эйнштейн заключил, что в квантовой физике содержится какой-то большой нераспознанный изъян. Более того, Эйнштейн попытался написать статью, которая бы развеяла квантовую механику. Однако этого не получилось. Поэтому условно принято говорить, что кот Шрёдингера съел мышь Эйнштейна.
Верно! Мышь Эйнштейна — одно из сказочных существ, обитавшее во вселенной мысленных экспериментов. Почему обитавшее? Потому что мышь Эйнштейна была съедена котом Шрёдингера. Шутка!

А дело было так. Проблема наблюдения стала известной после спора между Эйнштейном и Бором, когда Эйнштейн сказал: «Если, согласно квантовой теории, наблюдатель создает или частично создает наблюдаемое, то мышь может переделать вселенную, просто посмотрев на нее». Поскольку это кажется абсурдом, Эйнштейн заключил, что в квантовой физике содержится какой-то большой нераспознанный изъян. Более того, Эйнштейн попытался написать статью, которая бы развеяла квантовую механику. Однако этого не получилось. Поэтому условно принято говорить, что кот Шрёдингера съел мышь Эйнштейна.
Неверно. Мышь Эйнштейна — одно из сказочных существ, обитавшее во вселенной мысленных экспериментов. Почему обитавшее? Потому что мышь Эйнштейна была съедена котом Шрёдингера. Шутка!

А дело было так. Проблема наблюдения стала известной после спора между Эйнштейном и Бором, когда Эйнштейн сказал: «Если, согласно квантовой теории, наблюдатель создает или частично создает наблюдаемое, то мышь может переделать вселенную, просто посмотрев на нее». Поскольку это кажется абсурдом, Эйнштейн заключил, что в квантовой физике содержится какой-то большой нераспознанный изъян. Более того, Эйнштейн попытался написать статью, которая бы развеяла квантовую механику. Однако этого не получилось. Поэтому условно принято говорить, что кот Шрёдингера съел мышь Эйнштейна.
Почти, но это — мышь Эйнштейна — одно из сказочных существ, обитавшее во вселенной мысленных экспериментов. Почему обитавшее? Потому что мышь Эйнштейна была съедена котом Шрёдингера. Шутка!

А дело было так. Проблема наблюдения стала известной после спора между Эйнштейном и Бором, когда Эйнштейн сказал: «Если, согласно квантовой теории, наблюдатель создает или частично создает наблюдаемое, то мышь может переделать вселенную, просто посмотрев на нее». Поскольку это кажется абсурдом, Эйнштейн заключил, что в квантовой физике содержится какой-то большой нераспознанный изъян. Более того, Эйнштейн попытался написать статью, которая бы развеяла квантовую механику. Однако этого не получилось. Поэтому условно принято говорить, что кот Шрёдингера съел мышь Эйнштейна.
Неверно. Мышь Эйнштейна — одно из сказочных существ, обитавшее во вселенной мысленных экспериментов. Почему обитавшее? Потому что мышь Эйнштейна была съедена котом Шрёдингера. Шутка!

А дело было так. Проблема наблюдения стала известной после спора между Эйнштейном и Бором, когда Эйнштейн сказал: «Если, согласно квантовой теории, наблюдатель создает или частично создает наблюдаемое, то мышь может переделать вселенную, просто посмотрев на нее». Поскольку это кажется абсурдом, Эйнштейн заключил, что в квантовой физике содержится какой-то большой нераспознанный изъян. Более того, Эйнштейн попытался написать статью, которая бы развеяла квантовую механику. Однако этого не получилось. Поэтому условно принято говорить, что кот Шрёдингера съел мышь Эйнштейна.
Дальше
Узнать результат
Мы всё понимаем. Даже кот Шрёдингера не смог бы ответить на все вопросы верно. Поэтому прочтите текст или послушайте аудиоподкаст и попробуйте снова!
БРАВО! Возможно, вы просто подключились к квантовому компьютеру, чтобы ответить на вопросы верно? В любом случае — Вы молодец!
Просто признайтесь, что квантовая физика — ваше хобби? Блестящий результат! Смело можете похвастать вашим друзьям и предложить им пройти тест!

В кантовой физике даже позиция — супер!

2.
Нобелевская премия 2022 года по физике была присуждена Алену Аспе, Джону Клаузеру и Антону Цайлингеру за работы в сфере квантовых вычислений. И это очень круто, что сейчас уже весь мир отмечает важность и актуальность этой области, а тема квантового мира уже плотно закрепилась в популярной культуре. Квантовые вычисления — пока один из немногих способов пощупать квантовый мир и немножечко понять, как он работает. Ведь в квантовом мире все находится в суперпозиции, все очень запутанно.
А что же такое суперпозиция? Классический бит — это когда у вас есть 0 или 1. А квантовый бит, или кубит, — это когда 0 и 1 есть у вас одновременно с какими-то вероятностями. Вот видите, квантовый мир настолько крутой, что там даже позиция супер!

А запутанность — это когда две частицы находятся друг от друга на каком-то расстоянии, и изменение состояния одной частицы неизбежно приводит к изменению состояния второй частицы, и даже неважно, на каком расстоянии они находятся.
Интерес к квантовым вычислениям сейчас стремительно растет. И все больше людей хотят поработать на квантовом компьютере, а наша научная команда может с этим помочь: изящная реализация такой потребности — это создание облачного онлайн-доступа к квантовым процессорам, которые могут находиться от вас хоть на другом конце света. Например, как Ниагарский водопад: он находится очень далеко, но у вас всегда есть возможность достать телефон и посмотреть, как он выглядит и что же это такое.
Но вы можете заняться и более интересным делом: например, квантовыми вычислениями. Если у вас есть доступ в интернет, то считайте, что простейший квантовый компьютер постоянно у вас под рукой. Необходимо лишь зайти на нужный сайт или написать вам пару строчек кода. Понимаю, это будоражит, но держите себя в руках. Хотя я сама сейчас еле сдерживаюсь.
Сегодня на квантовом компьютере решаются очень интересные прикладные задачи: для проекта с компанией «Ниссан» нашей группой решена задача моделирования химических соединений с применением методов квантового машинного обучения.
Бурное развитие квантовых вычислений показывает, что создание и работа квантового процессора в лаборатории — не предел того, что можно показать миру.
Спойлер: конечно же, там нет ничего интересного, там просто вода падает.
Для чего же нужны такие исследования? Они могут быть использованы в новых аккумуляторных батареях для электромобилей.
Вы только представьте, квантовый компьютер поможет вам найти соединения и прийти к решению: как изготовить энергоэффективные электробатареи.
А мы с командой поможем квантовому компьютеру в этом, как вам мама помогала в школе с уроками, будем сидеть у него над душой: «Квантуша, пока новые соединения не смоделируешь, никакого тебе телевизора!»
Также наша команда решила задачу классификации изображения с помощью квантовых вычислений. Допустим, у вас есть несколько изображений, и вам нужно каким-то образом их различить: простым языком, компьютер должен посмотреть на изображение и назначить ему одну из меток. Само изображение — как мы с вами — компьютер не видит, он видит лишь огромную-огромную сетку из чисел, и ему нужно расклассифицировать эти изображения с помощью метода квантового машинного обучения, который использует очень большую базу данных.
И, обучаясь на них, он находит какие-то паттерны в изображениях, выдаваемых на вход, намного быстрее, чем классический компьютер.
Ален Аспе — французский физик, специалист по квантовой оптике, теории скрытых параметров и квантовой запутанности.
Антон Ца́йлингер —австрийский физик, впервые осуществивший квантовую телепортацию с использованием фотонов.
Джон Фрэнсис Клаузер — американский физик, специалист по квантовой механике.
2 + 2 = ?????
С помощью квантовых вычислений можно оптимизировать загрузки самолетов. В вопросах оптимизации квантовый компьютер вообще очень хорош: компания AirBus, например, использовала квантовые компьютеры для создания новых самолетов. И, что интересно, необходимые расчеты им удалось закончить аж в четыре раза быстрее, чем на обычных классических компьютерах. А вот компания «Фольксваген» обратилась к квантовым компьютерам для разработки алгоритмов управления беспилотными автомобилями.

Новые химические элементы, секвенирование генома и вопросы глобальной экономики

3.
Есть еще одна очень сложная, интересная задача — нахождение оптимального распределения отработавшего ядерного топлива по контейнерам. Это нужно для того, чтобы его безопасно хранить после того, как все топливо уже отработало. И ребята в нашей группе впервые в мире решили эту задачу на квантовом компьютере.
Другая глобальная задача, которой мы занимаемся, — это разработка платформы для облачного доступа к реальным квантовым процессорам. Это очень сильно продвинет квантовые вычисления и поможет вам прямо у вас дома подключиться к квантовому компьютеру и решить вашу первую задачу на нем в любой момент.
Квантовые компьютеры помогут решить глобально человечеству многие сложные вычислительные задачи: оптимизировать очень многие процессы логистики, финансов и даже глобальной экономики. Вы только представьте, ваш курьер с едой больше к вам никогда не опоздает. Да-да, и больше никаких халявных промокодов за задержку.
А облачный доступ к квантовым процессорам, который, в том числе, разрабатывает наша команда, даст возможность работать на квантовых компьютерах людям всего мира. И сегодня квантовые технологии — это уже не абстрактная область каких-то фундаментальных исследований, а область практического применения и решения вполне конкретных полезных задач. Будоражит, правда?
Квантовые компьютеры помогут получить новые химические элементы и материалы, и даже помогут эффективно секвенировать нужный геном. Да, последнее вам не понятно, но генетик, читающий это, будет взбудоражен!
Знакомьтесь со звездами российской науки
Руководитель проекта
Елена Куликова
Project менеджер
Александра Худорожкова
Ведущий продюсер проекта
Наталья Макарова
Генераторы идей по оформлению лонгрида
Евгений Кучук
Алина Лебедева
Анастасия Павлова
Операторы
Роман Садовой
Александр Ширков
Андрей Минаев
Вячеслав Волков
Алексей Иванов
Алексей Епифанов
Режиссеры монтажа
Игорь Куприянов
Павел Яковлев
Режиссер и редактор
Александра Лябина
Видео
В спецпроекте использованы мемы и изображения из платных и свободных источников (freepik, shutterstock, unsplash), а также кадры из фильмов «Мальчишник в Вегасе» (2009, Legendary Pictures. Режиссер — Тодд Филлипс. Сценарий: Джон Лукас, Скотт Мур. Композитор — Кристоф Бек), «ВАЛЛ·И» (2008. Режиссер — Эндрю Стэнтон. Сценарий: Джим Рирдон, Эндрю Стэнтон, Пит Доктер, Композитор — Томас Ньюман), «Терминатор 2: Судный день» (1991, Lightstorm Entertainment. Режиссер: Джеймс Кэмерон, сценарий: Джеймс Кэмерон, Уильям Уишер мл.; композитор — Брэд Фидель), «Звёздные войны: Эпизод 4 — Новая надежда» (1977, Lucasfilm Ltd. Сценарист и режиссер — Джордж Лукас. Композитор — Джон Уильямс).
При поддержке