Когда я работал в Кембридже, штат Массачусетс, один мой друг рассказал, что ассоциация постдоков при Массачусетском технологическом институте (MIT) спросила своих членов, как можно улучшить их жизнь. Друг поделился со мной своим предложением: устраивать больше вечеринок. 🎉 В этом году его желание исполняется в масштабах, превосходящих любые возможности ассоциации постдоков. Организация Объединённых Наций объявила 2025 год Международным годом квантовой науки и технологий (IYQ).
Квантовая феерия
С января словно лопнула метафорическая хлопушка. Правительства, компании и университеты трубят о вложениях в квантовые исследования. Учреждения выложились на Всемирном дне квантовой науки, который отмечается 14 апреля каждого года, а в этом году получил дудл от Google. 🔮 Американское физическое общество (APS) пропитало 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, блогер Джон Прескилл рассказал об истории квантовой науки в речи за ужином, а однажды вечером состоялась «квантовая вечеринка на блоках». Я до сих пор не могу вам сказать, что такое «квантовая вечеринка на блоках», но в ней использовались светящиеся палочки.
Участие в саммите
Посещая саммит, я ощутил удовлетворение — даже восторг, — напоминающий двенадцатый класс, когда американские подростки покоряют Монблан старшей школы. Это было чувство, что этот год — наш год. 🎶
Симпозиум Кавли
Перед саммитом редакторы журнала PRX Quantum выпустили специальный сборник в честь IYQ. Сборник демонстрирует ряд достижений — 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 квантовых технологиях.
Представьте себе квантовый компьютер, на котором работает схема. Компьютер состоит из кубитов, таких как атомы или ионы. Они начинают в простом, «свежем» состоянии, как чистая тетрадь. После прохождения схемы они хранят квантовую информацию, например, запутанность, как тетрадь хранит информацию после семестра. Мы говорим, что кубиты находятся в некотором квантовом состоянии. Сложность состояния — это минимальное количество базовых операций, таких как квантовые логические вентили, необходимых для создания этого состояния.
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 нарушения искажают информацию, хранящуюся в кубитах. Если ждать слишком долго, среда испортит слишком много информации, и квантовый компьютер не сможет работать. Мы называем пороговое время временем жизни кубитов.
Способность выполнять множество квантовых вентилей — это ресурс. Другие величины также служат ресурсами. Например, термодинамические ресурсы включают работу: скоординированную энергию, которую можно использовать напрямую для выполнения полезной задачи, такой как поднятие тетради или бодрствование допоздна, чтобы узнать, что такое «квантовая вечеринка на блоках».
Сотрудничество и исследования
Мои коллеги и я показали, что работа компенсируется сложностью в задачах обработки информации и энергии: чем больше квантовых вентилей вы можете выполнить, тем меньше работы вам нужно потратить на задачу, и наоборот. Сброс кубитов иллюстрирует такие задачи. Предположим, вы заполнили тетрадь расчётами, хотите начать другой расчёт, а бумаги больше нет. Вам нужно стереть свою тетрадь. Аналогично, если вы завершили квантовый расчёт и хотите запустить другую квантовую схему, вам нужно сбросить свои кубиты в чистое, простое состояние.
Три метода предлагают себя:
* Первый — вы можете «расчёт отменить», выполнив все квантовые вентили в обратном порядке. ↺ Эта стратегия требует длительного времени жизни: информация, запечатлённая на кубитах вентилем, не должна утекать в окружающую среду до тех пор, пока вы не отмените вентиль.
* Второй — вы можете сделать квантовый эквивалент использования Pink Pearl Paper Mate: вы можете стереть информацию с 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.
Мои коллеги и я количественно оценили компромисс между сложностью и работой в терминах 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. Квантовая сложность, как показали мои коллеги и я, заслуживает места у великого фонтана газировки квантовой термодинамики.
Так квантовая информационная наука 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. Веселитесь, как в 1925 году. Отполируйте свои кубиты — я надеюсь, что они проживут столько же, сколько и ваша жизнь.