Рычард Фейнман і нараджэнне квантавых вылічэнняў

Калі быў адзін чалавек, якому ўдалося атрымаць поспех у фізіцы, валодаць неверагоднай інтуіцыяй, а таксама вялікім матэматычным майстэрствам, а акрамя ўсяго гэтага выдатным настаўнікам і камунікатарам, гэта быў Рычард П. Фейнман [1]. Яго навуковая спадчына ўключае ў сябе рэвалюцыйны ўклад у квантавую тэорыю поля і электрадынаміку, вынаходніцтва шырока выкарыстоўваных дыяграм Фейнмана альбо тэорыі звышцякутага гелія [2]. Ён нават працаваў над праектам Манхэтэна ў сваёй ранняй кар'еры і, як і многія вялікія, ён узяў удар пры квантавай гравітацыі [3]. Ён быў вядомы выдатным настаўнікам, з вялікім педагагічным майстэрствам, і яго BBC-шоу "Fun to Imagine" па-ранейшаму натхняе тых, хто глядзіць яго некалькі эпізодаў [4,5]. Ён сапраўды быў адным з найвялікшых фізікаў эпохі пасля Вялікай Айчыннай вайны.

Адзін з яго ўнёскаў, якія часта выпускаюць з-пад увагі, быў першы крок квантавых вылічэнняў. У лекцыі пад назвай "Мадэляванне фізікі з дапамогай камп'ютэраў" прафесар Фейнман распавёў пра тое, чаму фізікам патрэбныя кампутары і што яны патрабуюць ад гэтых прылад [6].

Фізікі і навукоўцы наогул часта выкарыстоўваюць кампутары для мадэлявання. Часам дадзеная сістэма ў лабараторыі недаступная, альбо вам цікава зразумець, як яна паводзіць сябе, паглядзеўшы на яе кіруючыя фізічныя законы перад эксперыментам. З гэтага вынікае шмат матэматыкі. Кампутары значна лепш і хутчэй, чым людзі, калі гаворка ідзе пра колькасць неабходных разлікаў. Фейнман задаў наступнае пытанне: ці можа класічны універсальны кампутар імітаваць любую фізічную сістэму? І ў прыватнасці, што наконт квантавых сістэм?

Як звычайна ў квантавай механіцы, праблемы тут узнікаюць з-за прынцыпу суперпазіцыі [7]. У двух словах, квантавыя сістэмы, такія як электроны альбо фатоны, могуць існаваць у наглядзе за магчымымі станамі, якія назіраюцца перад вымярэннем. Напрыклад, уявіце, што электрон па любой прычыне дазволены назіраць толькі ў двух кропках А і В. Няпэўна сказана, што электрон можа знаходзіцца ў А або В, альбо ў стане, які кажа вам, што ён можа быць у А або В з улічваюцца верагоднасці. Калі вы паспрабуеце вымераць, ці быў электрон, ён выяўляецца ў адной з дзвюх кропак, хаця ён быў ні ў адной, ні ў абодвух адначасова, перш чым правесці вымярэнне [8].

Што гэта значыць для вылічэнняў? Ну, калі вы імітуеце рух нашай электроннай цацкі-мадэлі, вам заўсёды трэба будзе адсочваць дзве верагоднасці. Гэта не здаецца занадта дрэнным, але давайце разгледзім сістэмы з некалькімі часціцамі. Для двух электронаў вам трэба будзе адсочваць верагоднасць наяўнасці іх як у A, так і ў B, адзін у A і адзін у B, альбо наадварот (строга кажучы, усё больш складана, чым тое, што ўвасабляе прынцып Паўлі, але гэта гісторыя для іншага дня). Гэта складае чатыры верагоднасці адсочвання. Для трох электронаў нам давядзецца прасачыць восем. Для чатырох электронаў, 16. Для 10 электронаў нам трэба было б прасачыць 1024, а для 20 - 1048576 верагоднасцей. Для рэалістычных фізічных сістэм, якія складаюцца з мільёнаў электронаў, гэта хутка выходзіць з ладу.

Для класічных кампутараў патрэбнасць у памяці для гэтых разлікаў занадта вялікая. Сапраўднае мадэляванне фізічных сістэм становіцца невырашальным. Тут пачаў расці цікавасць да квантавых камп'ютэраў [9]. Квантовыя сістэмы, як і кубіты, могуць адсочваць гэтыя верагоднасці, таму што гэта па сутнасці! Тэарэтычна можна было б змадэляваць квантовую сістэму з шматлікімі квантамі, а не неверагодна вялікую колькасць класічных біт, што вам трэба зрабіць на звычайным кампутары. Вы таксама можаце кадаваць фізіку ў аперацыях на кубітах, напрыклад, з выкарыстаннем схем логічных варот на бітах [10]. Прафесар Фейнман вызначана вызначаўся!

Фізікі часціц у ЦЕРН не мелі намеру закласці аснову Інтэрнэту ці медыцынскіх паскаральнікаў [11, 12]. Усё, што яны хацелі зрабіць, гэта разбіць часціцы адзін аднаго, каб паглядзець, з чаго яны зроблены. Як гэта часта бывае, патрэбы фундаментальнай навукі заканчваюць спараджэнне новых і цікавых для чалавецтва праектаў. Падобным чынам, цікавасць да квантавых камп'ютараў сёння вырас далёка за патрэбы фізікаў. У цяперашні час мы разглядаем іх патэнцыял, каб быць значна хутчэй, чым класічныя кампутары, для ўкаранення новага Інтэрнэту і новых пратаколаў бяспекі [13]. Як часта бывае, гэтая выдатная ідэя была ўсяго толькі невялікім, што з'явілася ў галовах аднаго (ці некалькіх) вялікіх вучоных мінулага, толькі каб расці без меры. За гэта я ўпэўнены, што мы ўсе ўдзячныя.

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Richard_Feynman

[2] Рычард Фейнман, Ральф Лейтан (аўтар), Эдвард Хатчынгс (рэдактар), Напэўна, вы жартуеце, містэр Фейнман: Прыгоды цікаўнага персанажа, 1985, WW Norton, ISBN 0–393–01921–7

[3] https://blogs.umass.edu/grqft/files/2014/11/Feynman-gravitation.pdf

[4] https://www.fractuslearning.com/2017/01/23/richard-feynman-education/

[5] http://www.bbc.co.uk/archive/feynman/

[6] https://people.eecs.berkeley.edu/~christos/classics/Feynman.pdf

[7] https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_superposition

[8] https://en.wikipedia.org/wiki/Wave_function_collapse

[9] https://web.archive.org/web/20150315071736/http://www.xootic.nl/magazine/jul-2003/west.pdf

[10] Майкл А. Нільсэн і Ісаак Л. Чуанг, Квантавыя вылічэнні і квантавая інфармацыя: 10-я юбілейная рэдакцыя (10-е выд.), 2011 г., Cambridge University Press, ISBN 13: 9781107002173.

[11] https://home.cern/about/updates/2013/03/ps1-million-engineering-prize-honours-web-pioneers

[12] https://home.cern/about/updates/2013/04/accelerators-medicine

[13] https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_computing#Potential

Пра Quantum1net:

Quantum1Net быў заснаваны ў 2017 годзе, каб падрыхтаваць свет да ўздыму квантавых вылічэнняў. З міжнароднай камандай, дзесяцігоддзямі сумеснага вопыту ў галіны і яго унікальнай тэхналогіяй QEKG, Quantum1Net будзе забяспечваць квантавую бяспеку для забеспячэння бяспекі лічбавых транзакцый і сувязі на дзесяцігоддзі наперад. Каб даведацца больш пра Quantum1Net, наведайце http://quantum1net.com.