量子技术:从基础研究到产品

记者喜欢轰动效应。是的,这样他们就能立即吸引读者!因此,他们用错误的问题纠缠物理学家:“什么时候会出现一台可以工作的量子计算机?处理器中会有多少量子位?哪些量子小工具会改变我们的生活?如果一位科学家只是举手回答,这并不意味着他没有足够努力。基础科学正忙于寻找和获取有关自然的新知识,这些知识不一定会在今天带来实际利益,但也许会在后天带来实际利益。

光量子工程实验室负责人谢尔盖·库里克教授最近写了一篇关于此的文章,并将其发表在“量子信息安全技术”门户网站上。我们也发表了这篇文章。

量子技术是近年来发展迅速的行业之一。同时,与其他端到端技术不同,基础研究的份额(其结果是假设、理论和方法)在这里仍然非常高。

这一独特特征一方面将量子技术置于特殊技术类别中,其大规模产品不太可能在近期出现在市场上。

另一方面,实际产品的稀缺和对量子理论基本原理的严重误解为各种猜测提供了素材:关于量子计算机、全球量子传感器和信息网络、量子互联网等能力的神话在媒体上流传。当然,所有这些概念都有科学意义,它们在专家之间进行讨论,其背后是未来特定的高科技发展。然而,一旦业余爱好者开始解释量子效应,期望就会与实际脱节,有时甚至专家也无法理解正在讨论的内容:要么正在讨论的是最新的鲜为人知的实验结果,要么这是另一位解释性博主狂热想象的自由幻想。

自2018年以来,国家预算拨出相当可观的资金,使情况更加恶化。数百亿卢布用于量子技术领域的发展,不仅吸引了科学家的关注,也吸引了各种科普出版物和自由艺术家的关注,他们捕捉着科学界的“炒作”新闻。他本人也曾多次因自己承诺报告实验室的最新消息而受到牵连:记者们会毫不犹豫地要求分享,而胆怯的借口“现在还没有,一个月后再来电”只会增加他们的兴奋:“如果那里已经有了什么,科学家们只是在躲藏……”

我举两个例子。在讲座上,我经常阐述海森堡不确定性原理,提出这样的论点:对于量子粒子来说,没有轨迹的概念。事实上,在经典力学中,(粒子的)轨迹由坐标 r 和动量 p 决定。在量子力学中,这些物理量与(非交换)算子 ȓ 和 ṗ 相关。这样的算子没有共同的特征函数,因此,坐标和动量不能同时测量(这里给出了不确定性原理解释的粗俗介绍)。

这与日常生活中(在经典世界中)常见的经验相矛盾:对于任何时刻抛出的石头,你可以同时指出坐标和动量脉冲!

另一个例子涉及对一种特殊的多组分量子态(称为纠缠态)的解释。对于最简单的类型——一对两级系统,事实证明,虽然整个状态的一切都为人所知,但子系统的状态却并未完全确定。这样的状态是量子信息的资源:量子通信、量子计算和量子传感的几种协议都依赖于它们。

对纠缠态这一特性的粗略解释听起来是这样的:测量其中一个子系统的状态可以让你立即知道另一个子系统的状态,无论它有多远;因此,信息可以以高于光速的速度传输。正是这些状态构成了著名的“爱因斯坦-波多尔斯基-罗森悖论”以及贝尔不等式的违反。然而,悖论的解决是基于量子力学的形式装置和密度矩阵的性质——这些物理学部分是在大学三年级或四年级教授的,普通人几乎不熟悉。

在量子技术出现真正的大规模产品之前,世界不可避免地会面临对其使用过高的期望以及来自科学界的最荒谬的解释和对新闻的解读。

随着此类产品的出现,我们会逐渐习惯它们,而“油炸”的含义也会逐渐淡出人们的视线。事实上,当按下电视遥控器上的按钮时,现在不太可能有人会认真思考其工作原理。而就在50-60年前,小盒子屏幕上的动态图像一方面是稀有的,另一方面也引发了许多关于其工作原理的问题。

在量子技术产品列表中,哪些产品可能在不久的将来成为社会财产,尽管不是电视或小工具的水平,但至少是航天器?

也许什么都没有……正如本文开头所述,现代量子技术目前正在进行深入的基础研究和应用研究。它们依赖于实验物理学中的最新工具,从单光子探测器和单光子源到大型低温机器,这些机器可以将大体积冷却到微开尔文(开尔文标度的百万分之一度)的超低温。

可能或多或少显而易见的是,此类研究是由高素质的专家进行的,他们的培训需要数年甚至数十年的时间。在回答培养这样一名专家需要多长时间的问题时,我的回答是这样的:学生在第一年就来到我们的实验室。在莫斯科国立大学物理系学习六年,加上四年的研究生院;总共大约 10 年。在此期间,这些家伙逐渐赶上进度:他们学会操作实验装置,维护其性能并使其现代化(在小丑物理学家的巧妙手法下,后两项技能通常归因于所谓的量子工程师的能力 - 量子技术的新专业)。

同时,他们掌握大学课程的一般和特殊物理、数学和其他学科。文凭的插页列出了 70 多个资格评估职位,在文凭的官方版本中是这样写的:“本文凭表明 伊万·伊万诺维奇·伊万诺夫已掌握高等专业教育(专家培训)的基础教育计划,专业是“基础无线电物理学和物理电子学”,并且他(她)被授予物理学家资格。”

现在是时候说一些量子技术产品仍然可用了。它们几乎不能称为批量生产,也就是说,普通公民无法获得,就像提到的电视或小工具一样。最有可能的是,普通公民甚至不知道它们的存在,当然也不了解它们的工作原理。这些产品在国外和我国都是批量生产的。我们正在谈论量子技术三元组的元素之一 - 量子通信(剩下的两个元素是量子计算和量子传感)。这里的成功是显而易见的:相应的设备经历了从基础开发到应用研究和开发再到创建技术和信息安全设备特定样本的完整生命周期。如今,这种设备完善了本地和骨干量子网络;在此基础上,正在开发空间量子通信系统;总之,发展不会停滞不前,也许在不久的将来,量子加密将在组织安全通信的连贯系统中占据一定的空间。

回到最初关于量子技术领域大众产品的问题,让我们总结一下:没有大众产品,也不太可能出现;民众不了解这类产品至少基本的工作原理,也不太可能有;因此,成瘾(如电视/小工具)也无处可寻……

下一步是什么?然后建议继续和平地生活和工作:科学家——掌握揭示自然秘密的新方法和途径;量子工程师——学习硬件;官员——监督他们严格履行使用预算资金的义务;感兴趣的公民——接受教育,使他们至少能够正确地搜索科普文献,并充分解释正在发生的技术奇迹;不感兴趣的公民不应该向《自然》杂志提出不必要的问题……

也许,最后应该指出的是,要求科学家在某个日期之前实现目标是幼稚的,特别是在基础研究领域,尽管整个科学组织体系都倾向于这样做。毕竟,我们谈论的是理解宇宙规律的尝试,而截止日期是一个非常相对的事情。

教授、物理和数学科学博士谢尔盖·库利克

Профессор, доктор физико-математических наук Сергей Кулик
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