Warum die Anzahl der Qubits "Mist" ist und die Quantenkommunikation nur auf kurze Distanz gültig ist

Wir haben die zweite Quantenrevolution miterlebt, sagte der Professor für Physik Alexander Lvovsky. Er argumentiert dies mit der Tatsache, dass die Menschheit gelernt hat, Quantensysteme auf Einheitenebene zu steuern.

Warum ist dann noch kein Quantencomputer auf jedem Schreibtisch erschienen und spielt keine Musik von VKontakte über eine unzerbrechliche Quantenkommunikationsleitung ab? Darüber sowie über die Entwicklung der russischen Wissenschaft und darüber, dass „cooler“ die Technologie der Blockchain oder Quanten ist, sagte der Professor persönlich.

Alexander Lvovsky - Ph.D., Professor für Physik an der Universität von Calgary, Mitglied des wissenschaftlichen Rates des Russischen Quantenzentrums (RCC), Herausgeber von Optics Express, Popularisierer der Quantenwissenschaft.

Interviewer: Ilya Lopatin
Befragter: Alexander Lvovsky

Heute kann ein Quantencomputer für mehr als 10 Millionen Dollar gekauft werden, was zum Beispiel von Google gemacht wurde. Während ein solcher Computer nur bei der Lösung eng zielgerichteter Probleme wirksam ist. Was erwarten Käufer von diesem Betrag?

Google kaufte den "Quantencomputer" der kanadischen Firma D-Wave. Dies ist kein universeller Quantencomputer, sondern der sogenannte Quanten-Annealer - "Quanten-Annealer". Viele meiner Kollegen - theoretische Experten auf dem Gebiet der Quantenkybernetik - glauben, dass dieses Gerät keine Vorteile gegenüber dem klassischen hat. Obwohl Google und D-Wave Beispiele für bestimmte Aufgaben zeigen, die mit diesem Gerät schneller gelöst werden können als auf einem herkömmlichen klassischen Computer, argumentieren Gegner, dass dies daran liegt, dass klassische Algorithmen einfach nicht optimal sind. Mit anderen Worten, ein Vorteil ist eine Illusion, die sich aus der Tatsache ergibt, dass wir nicht alles, was es kann, aus dem klassischen „Eisen“ herauspressen.

Kurz gesagt, es gibt eine wissenschaftliche Debatte. Wir, gewöhnliche Menschen, werden auf jeden Fall davon profitieren: Entweder werden wir Quantencomputer haben oder klassische Algorithmen werden sich erheblich verbessern.

In der Zwischenzeit sind diese Streitigkeiten nicht beigelegt, die Frage, ob dieser Computer einen theoretischen Vorteil gegenüber dem klassischen hat, tritt im Prinzip in den Hintergrund. Wenn Sie dieses Gerät hier und jetzt verwenden, können Sie das Problem hundert- oder millionenfach schneller lösen als auf einem klassischen Computer. Warum lösen Sie es dann nicht so?

Investoren investieren in viele Projekte. Ein Quantencomputerprojekt ist ein hohes Risiko mit hohem Gewinn. Es ist klar, dass daraus nichts werden kann, aber wenn dies der Fall ist, wird der Auspuff enorm sein (Tausende oder sogar Zehntausende von Prozent). Daher erweist sich das Projekt im Durchschnitt erwartungsgemäß als erfolgreich und attraktiv für Investitionen.

Harvard schuf einen 51-Qubit-Computer. Sagen Sie mir, gilt dies für die zweite Quantenrevolution oder sogar für die erste?

Die zweite Quantenumdrehung ist die Fähigkeit, komplexe verschränkte Quantensysteme auf der Ebene ihrer einzelnen Komponenten (Ionen, Photonen, Atome) zu steuern. Dies ist der Hauptunterschied zur ersten Quantenrevolution - der Erfindung makroskopischer Geräte, die zwar die Quantenphysik als Grundlage ihrer Arbeit verwenden, jedoch nicht individuell gesteuert werden können. Transistoren und Laser führten zur Entstehung integrierter Schaltkreise, Computer, des Internets und der Mobilkommunikation - im Allgemeinen wurde die Welt so, wie wir sie heute kennen. Und von der zweiten Quantenrevolution erwarten wir noch mehr!

Das Harvard-Experiment ist natürlich ein Element der zweiten Quantenrevolution. Dies ist jedoch kein Quantencomputer, sondern der sogenannte Quantensimulator. Mit anderen Worten, dies ist kein Computergerät, sondern eine Art physikalisches System, mit dem Sie komplexere physikalische Systeme emulieren können, insbesondere die Festkörperphysik.


Ein Gerät, das in Harvard erstellt wurde. Das Projekt wurde von Mikhail Lukin und Marcus Greiner von der Harvard University sowie von Vladan Vuletich vom MIT geleitet

Was begrenzt das Wachstum der Anzahl von Qubits beim Erstellen von Quantencomputern? Woher kommen die Zahlen 5, 50, 2000? Liegt das Problem genau in der Anzahl der Qubits?

Ja, jeder wird an der Anzahl der Qubits gemessen ... Tatsächlich ist dies Mist, denn es geht nicht um Quantität, sondern um Qualität. Moderne Qubits sind extrem „zerbrechlich“: Sie interagieren mit der Außenwelt und verlieren ihre Quanteninformationen sehr schnell. Mit ihrer Hilfe ist es unmöglich, auch nur die einfachsten Quantenberechnungen durchzuführen. Dazu müssen Sie zunächst ein sogenanntes logisches Qubit ausführen, das Quanteninformationen durch Korrektur von Fehlern auf unbestimmte Zeit unterstützen kann. Um ein logisches Qubit zu erzeugen, werden zehn oder sogar Hunderte von physischen benötigt.

Klassische Computer haben dies auch. Dort treten ständig Fehler auf, und wenn Sie sie nicht korrigieren, verschwinden die Informationen sofort. Da es jedoch Korrekturalgorithmen gibt, sehen wir keine Fehler. Wir sehen, dass Informationen unbegrenzt gespeichert werden.

Im Quantencomputer gibt es noch keine solche Technologie, da die Qualität physikalischer Qubits nicht ausreicht, um auch nur eine logische zu realisieren. Daher müssen alle Gespräche über die Anzahl der Qubits sorgfältig geführt werden.

Wir hören regelmäßig vom Start einer Quantenkommunikationsleitung, die auf Quantenverschränkung basiert. Wie anwendbar ist es aus kommerzieller Sicht?

Die meisten modernen Quantenkommunikationsleitungen basieren nicht auf Quantenverschränkungen. Dies ist gut, da Verschränkung ein ziemlich komplexes Phänomen ist: Es ist schwierig zu erhalten und anzuwenden. Die moderne Quantenkommunikation verwendet in der Regel schwache Laserpulse - so dass jeder einzelne Puls durchschnittlich weniger als ein Photon enthält. Manchmal überspringt ein Photon, dann können Sie einige Informationen darauf aufzeichnen und in einiger Entfernung senden. In diesem Fall können Sie sicher sein, dass jemand, der dieses Photon stiehlt, es nicht im gleichen Quantenzustand reproduzieren kann. Die Geheimhaltung der Quantenkommunikation basiert darauf.

Das Problem der modernen Quantenkommunikation ist, dass sie nur auf kurze Distanz wirkt. Warum? Denn die Verluste in den Faserleitungen liegen für 10-15 km in der Größenordnung von zwei. So erreicht beispielsweise auf der Strecke von Moskau nach St. Petersburg nur einer von zehn Impulsen von ¹⁸ Milliarden Milliarden sein Ziel. Bei einer solchen Geschwindigkeit ist es natürlich unmöglich, angemessene Informationsmengen zu übertragen.

In der üblichen klassischen Kommunikationsleitung ist dieses Problem ebenfalls vorhanden, wird jedoch mit Hilfe von Repeatern oder Verstärkern gelöst. Alle paar zehn Kilometer wird ein Verstärker installiert, der den Pegel des optischen Signals auf den ursprünglichen Wert erhöht. Dies ist mit einer Quantenlinie nicht möglich, da ein solcher Verstärker nicht von einem Spion zu unterscheiden ist: Er verändert Photonen und tut dasselbe. Daher muss eine andere Technologie erfunden werden - der sogenannte Quantenrepeater. Um dies zu realisieren, ist eine Quantenverschränkung erforderlich. Genauer gesagt, zwei Phänomene - Quantenteleportation und quantenoptisches Gedächtnis.

Warum ist Blockchain anfällig für Quantentechnologie?

Die kryptografische Hash-Funktion wird in der Blockchain verwendet: Jeder nachfolgende Block enthält die Hash-Funktion des vorherigen, wodurch es jetzt unmöglich ist, die in einem der Blöcke gespeicherten Informationen zu ändern, ohne die Integrität der gesamten Kette zu verletzen. Ein Quantencomputer kann die Berechnung der Hash-Funktion reversibel machen, dh er kann eine Änderung im Block erfassen, so dass sich der Hash nicht ändert.

Es gibt eine weitere Sicherheitslücke, die für Kryptowährungen spezifisch ist: eine digitale Signatur. Jeder, der über einen Quantencomputer verfügt, kann eine digitale Signatur fälschen, dh beispielsweise mit seiner digitalen Signatur im Auftrag eines Milliardärs eine große Geldüberweisung tätigen. Sobald ein universeller Quantencomputer für Bitcoin und für alle modernen Kryptowährungen erfunden wird, werden die Kosten auf Null reduziert.

Kürzlich haben wir vom russischen Quantenzentrum einen Weg gefunden, diese Schwachstellen durch Anwendung der Quantenkommunikationstechnologie auf Blockchains zu beseitigen. Ich denke, dass Blockchains und Kryptowährungen natürlich eine Zukunft haben - sie werden sich im Entwicklungsprozess einfach ändern und mit Quantentechnologien synthetisiert werden.

Angenommen, die Physiker stecken im Studium der Mikrowelt fest. Was wird schneller passieren - die Person wird zu dem Verständnis kommen, dass sie nichts versteht und nichts anderes erfindet, oder die Unfähigkeit, ein globales Superprojekt zu finanzieren, das zehnmal teurer ist als der Hadron Collider?

Ich glaube, dass die Physik im Laufe des 20. Jahrhunderts im Vergleich zu anderen Wissenschaften weit fortgeschritten ist. Die Entwicklung der Wissenschaft wurde immer von der praktischen Anwendung bestimmt. Und jetzt ist der Kenntnisstand der Physik um viele Größenordnungen höher als in der Praxis. Kann ich mehr herausfinden? Sicher, aber dafür ist es wirklich notwendig, entweder Riesenteleskope zu bauen oder teure Beschleuniger zu bauen. Die Frage ist - warum? Eine müßige Neugier?

Daher scheint es mir, dass die Physik im 21. Jahrhundert ihre Entwicklung verlangsamen und solchen Wissenschaften wie Kybernetik und Biologie weichen wird, denn in diesen Wissenschaften liegen Geheimnisse direkt vor unserer Nase: wie Zellen angeordnet sind, wie Krankheiten, Vererbung usw. behandelt werden. In technologischen Fragen - Kybernetik an der Schnittstelle zur Biologie. Wie das Gehirn funktioniert, wie wir denken, wie man die Maschine wie eine Person denken lässt? Diese wissenschaftlichen Aufgaben sind äußerst interessant und relevant, und vor allem: Mit ihrer Lösung können Sie reale Verkaufsgeräte entwickeln, die das Leben der Menschen verbessern.



In einem Ihrer Interviews haben Sie festgestellt, dass die Entwicklung einheimischer Wissenschaftler durch die Isolation am Forschungsinstitut behindert wird. Gilt diese Aussage für die ausländische Wissenschaft? Oder ging es nur um Wissenschaft in Russland?

Das russische wissenschaftliche System ist das Erbe des sowjetischen, das für den Kalten Krieg inhaftiert war. In jenen Tagen hat es seine Funktionen gut erfüllt: Die sowjetische Wissenschaft wurde in der Welt auf höchstem Niveau zitiert. Und als der Kalte Krieg endete, schwächte sich die staatliche Unterstützung für die Wissenschaft stark ab, und ihre Finanzierung nahm ab. Infolgedessen erbte die russische Wissenschaft von der sowjetischen Wissenschaft nicht die besten, sondern die schlechtesten Merkmale - insbesondere ihre Isolation. Seit vielen Jahren tun die Menschen dasselbe und interagieren sehr schwach mit der Außenwelt und der Weltwissenschaft. Einer der Gründe ist, dass ein russischer Wissenschaftler in einem frühen Stadium seiner Karriere eine feste Stelle bekommt. Zum Beispiel wird einem Doktoranden für den Rest seines Lebens ein Arbeitsplatz garantiert. Es stellt sich heraus, dass es keinen Sinn macht, etwas Neues zu lernen, der Welt zu beweisen, dass Sie etwas wert sind - Sie können in diesem Forschungsinstitut sitzen, ein kleines Gehalt erhalten und wie ein gewöhnlicher Mensch leben.

In dieser Hinsicht mag ich den Ansatz der internationalen Wissenschaft, bei dem eine Person unter 30-40 Jahren keine feste Stelle hat. Infolgedessen ist er motiviert, die Suche fortzusetzen und zu arbeiten. Wenn ein Wissenschaftler aufhört, auf dem Berg etwas Neues herauszugeben, ist er einfach im Müll. Ja, ein solcher Druck ist ein unangenehmer Motor, aber er ist nicht nur der Motor des Menschen, sondern auch der Wissenschaft selbst.

Darüber hinaus führt ein Mensch in einem fremden System in der Regel verschiedene Phasen seiner Karriere durch - bis er eine feste Stelle erhält - in verschiedenen Gruppen, Universitäten, oft in verschiedenen Ländern. Infolgedessen ist jeder Träger einer einzigartigen Erfahrung und einzigartiger Ideen, die wie kein anderer synthetisiert werden können.

Kann Online-Bildung als alternative Wissensquelle effektiv sein?

Ich glaube, dass Online-Bildung die Zukunft der Bildung ist. Ich selbst beherrsche Online-Kurse zum maschinellen Lernen. Die Methode funktioniert gut - ich bin bereit, die Wirksamkeit selbst zu bezeugen.

Am Institut gibt es einen Dozenten vor 200 Zuschauern, der etwas sendet und die Studenten schlafen. Was ist der Punkt? Es erfolgt eine Informationsübertragung in eine Richtung ohne Rückmeldung.

Es ist klar, dass Vorträge unverzichtbar sind. Aber warum nicht den besten Dozenten der Welt finden, der nicht für 200, sondern für 20.000 Menschen online liest? Der Hörer kann seinen Vortrag jederzeit abbrechen, überlegen; Hören Sie sich das Material an, wenn es Ihnen passt, wenn Sie Lust dazu haben. Die Rolle des Professors und Lehrers an der Universität wird sich ändern: Es handelt sich nicht um Rundfunk, sondern um interaktive Bildung - Seminare, in denen der Schüler direkt mit dem Lehrer kommunizieren, aus seinen Erfahrungen lernen und Antworten auf seine Fragen erhalten kann.

Online-Bildung ist effektiv, wenn sie mit Vollzeitausbildung kombiniert wird. Ich hoffe, dass sich das Konzept in diese Richtung ändert: mehr Interaktion und Vorträge - online.

Was ist Ihre Motivation für öffentliche Vorträge?

Dies ist relevant für das Isolationsthema, nach dem Sie gefragt haben. Ein Wissenschaftler hat im Allgemeinen die Tendenz, sich in seinem komfortablen Elfenbeinturm einzuschließen - zu erforschen, was für ihn und zwei oder drei Menschen auf der ganzen Welt interessant ist, Artikel zu veröffentlichen, die nur dieses Paar lesen wird. Kochen Sie in Ihrem Saft. Und wenn wir so werden, hören Sie auf, mit der Welt zu kommunizieren, was nützt uns dann? Deshalb glaube ich, dass es unsere Pflicht ist, die Wissenschaft zu den Massen zu tragen. Nicht nur zum altruistischen Zweck der öffentlichen Bildung, sondern auch, um nicht zu vergessen, uns zu fragen, welchen Nutzen unsere Aktivitäten für den Fortschritt und die Menschlichkeit bringen.

Was wird Ihr populärwissenschaftlicher Vortrag auf der Quantum Technology Conference am 1. März sein?

Im ersten Teil der Vorlesung werde ich einige Worte über die Grundlagen der Quantenphysik sagen, die auf Photonen basiert - Elementarteilchen des Lichts. Und auch über Quantenparadoxe. Ich interessiere mich für dieses Thema. Es zeigt, wie erstaunlich die Quantenphysik ist, wie unglaublich die Konsequenzen für scheinbar einfache Änderungen im Weltkonzept sind.

Der zweite Teil der Präsentation widmet sich Beispielen für Quantentechnologien: Quantencomputer, Quantenkryptographie, Quantenchronometrie und Sensoren.