Когда я работал в Кембридже, штат Массачусетс, один мой друг рассказал, что ассоциация постдоков при MIT спросила своих членов, как можно улучшить их жизнь. Мой друг поделился со мной своим предложением: устраивать больше вечеринок. В этом году его желание осуществилось в масштабах, превосходящих любые возможности ассоциации постдоков. Организация Объединённых Наций объявила 2025 год Международным годом квантовой науки и технологий (IYQ), как вы уже слышали, если, конечно, не живёте под камнем (или без доступа к СМИ — что, если подумать, звучит не так уж плохо).
С января словно взрывается праздничный хлопушка. Правительства, компании и университеты трубят о вложениях в квантовые исследования. Учреждения сделали всё возможное для Всемирного дня квантовой науки, который отмечается 14 апреля каждого года, но в этом году он получил упоминание в виде дудла от Google. Американское физическое общество (APS) наполнило свой Глобальный саммит по физике в марте квантовой наукой, как магазин Bath & Body Works наполняет воздух ароматом Pink Pineapple Sunrise. На саммите специальные симпозиумы продемонстрировали квантовые исследования, коллега-блогер Джон Прескилл рассказал об истории квантовой науки в речи за ужином, а однажды вечером состоялась «квантовая вечеринка квартала». Я до сих пор не могу вам сказать, что такое «квантовая вечеринка квартала», но в ней использовались светящиеся палочки.
Google doodle от 14 апреля 2025 года
Посещая саммит, я испытывал удовлетворение — даже восторг, — напоминающий ощущения двенадцатого класса, когда американские подростки покоряют Монблан старшей школы. Было ощущение, что этот год — наш год. Простите, пока я напеваю «Time of your life».
Выступления и организатор симпозиума Кавли
Специальная сессия, посвящённая междисциплинарной квантовой науке, на Глобальном саммите по физике APS
Перед саммитом редакторы журнала PRX Quantum выпустили специальный сборник в честь IYQ. В сборнике представлены различные достижения — от химии до коррекции квантовых ошибок и от атомов до лазерных импульсов длительностью в аттосекунды. Мы с коллегами опубликовали статью о квантовой сложности — термине, который имеет столько же значений, сколько компаний за последние шесть месяцев транслировали новости о квантовой сфере. Но я уже публиковал два поста в Quantum Frontiers о сложности, и вы наверняка изучаете этот блог как Библию, так что мы на одной волне, правда?
Просто шучу.
Представьте, у вас есть квантовый компьютер, который выполняет схему. Компьютер состоит из кубитов, таких как атомы или ионы. Они начинают в простом, «свежем» состоянии, как чистая тетрадь. После схемы они хранят квантовую информацию, например, запутывание, как тетрадь хранит информацию после семестра. Мы говорим, что кубиты находятся в некотором квантовом состоянии. Сложность состояния — это наименьшее количество базовых операций, таких как квантовые логические вентили, необходимых для создания этого состояния — через только что завершённую схему или любую другую схему.
Современные квантовые компьютеры не могут создавать состояния высокой сложности. Причина в том, что каждый квантовый компьютер находится в среде, которая нарушает работу кубитов. Например, молекулы воздуха могут отскакивать от них. Такие возмущения искажают информацию, хранящуюся в кубитах. Если ждать слишком долго, среда слишком сильно испортит информацию, и квантовый компьютер не сможет работать. Мы называем пороговое время сроком жизни кубитов, наряду с другими менее звучными фразами. Срок жизни ограничивает количество вентилей, которые мы можем запустить в квантовой схеме.
Способность выполнять множество квантовых вентилей — выполнять операции высокой сложности — служит ресурсом. Другие величины также служат ресурсами, как вы знаете, если вы один из трёх преданных поклонников Quantum Frontiers, которые читают этот блог с 2014 года (привет, мама). Термодинамические ресурсы включают работу: скоординированную энергию, которую можно использовать напрямую для выполнения полезной задачи, например, поднять тетрадь или не ложиться спать допоздна, чтобы узнать, что такое «квантовая вечеринка квартала».
Мои коллеги: Йонас Хаферкамп, Филипп Фаист, Теджа Котхаконда, Йенс Эйзерт и Энтони Мансон (в порядке, не имеющем здесь значения).
Мы с коллегами показали, что работа компенсируется сложностью в задачах обработки информации и энергии: чем больше квантовых вентилей вы можете выполнить, тем меньше работы вам придётся потратить на задачу, и наоборот. Сброс кубитов иллюстрирует такие задачи. Предположим, вы заполнили тетрадь расчётами, хотите начать другой расчёт, а бумаги у вас больше нет. Вам нужно стереть свою тетрадь. Аналогично, предположим, вы завершили квантовый расчёт и хотите запустить другую квантовую схему. Вам нужно сбросить свои кубиты до свежего, простого состояния.
Предлагаются три метода:
1. Вы можете «расвычислить», отменив каждый квантовый вентиль, который вы выполнили. Эта стратегия требует длительного срока службы: информация, запечатлённая на кубитах вентилем, не должна утекать в окружающую среду до того, как вы отмените вентиль.
2. Вы можете сделать квантовый эквивалент использования Pink Pearl Paper Mate: вы можете стереть информацию со своих кубитов, независимо от схемы, которую вы только что выполнили. Термодинамисты изобретательно называют эту стратегию стиранием. Она требует термодинамической работы, как и использование Paper Mate в тетради.
3. Вы можете…
Предположим, у ваших кубитов ограниченный срок службы. Вы можете отменить столько вентилей, сколько у вас есть времени. Затем вы можете стереть остальные кубиты, потратив работу. Как сложность — ваша способность выполнять множество вентилей — компенсируется работой? Мы с коллегами количественно оценили компромисс с точки зрения энтропии, которую мы изобрели, потому что в мире не хватало типов энтропии.
Сложность компенсируется работой не только при сбросе кубитов, но и при сжатии данных и, вероятно, в других задачах. Мы показали, что квантовая сложность, по мнению моих коллег и меня, заслуживает места у великого фонтана газировки квантовой термодинамики.
Великий фонтан газировки квантовой термодинамики…
…как квантовая информатика заслуживает места у великого фонтана физики. Когда я приступал к своей докторской диссертации, преподаватели советовали мне заниматься не только исследованиями в области квантовой информации, но и «настоящей физикой», такой как конденсированное состояние. Последнее помогло бы убедить физические факультеты, что я стою их денег, когда я буду претендовать на должности преподавателей. Сегодня ситуация изменилась. Один теоретик конденсированного состояния, которого я знаю, стал профессором электротехники, потому что он вычисляет энтропии запутывания.
Так что наслаждайтесь нашим годом, коллеги-учёные. Гуляй, как в 1925 году. Отполируйте свои кубиты — я надеюсь, они достигнут жизненного срока, равного вашей жизни.