Europa ujawnia swoją wizję kwantowej przyszłości

Wyścig o podbój świata kwantowego jest jednym z najbardziej konkurencyjnych pod względem technologicznym. Chiny i Stany Zjednoczone zainwestowały miliardy w opracowanie nowych sposobów wykorzystania dziwnych praw fizyki, do których dostęp dają efekty kwantowe. Obietnica to nowa era informatyki i komunikacji oraz, oczywiście, niewyobrażalne bogactwa.

W całym tym podnieceniu jedna część świata zostaje w tyle. Europa ma bogatą historię innowacji w fizyce kwantowej, ale w ostatnich latach zaczęła pozostawać w tyle za swoimi globalnymi konkurentami.

Dlatego Komisja Europejska ogłosiła w 2016 roku, że zainwestuje miliard euro w przedsięwzięcie badawcze znane jako Quantum Technology Flagship. Celem tego projektu jest opracowanie czterech technologii: komunikacji kwantowej, symulacji kwantowej, obliczeń kwantowych i wykrywania kwantowego. Jak idzie po prawie dwóch latach?

Sterowanie systemami kwantowymi to duże wyzwanie.

Dziś mamy wgląd dzięki publikacji European Quantum Technologies Roadmap, zaktualizowanej wersji dokumentu, który określa cele projektu na następne 10 lat. W szczególności przedstawia dwa pojawiające się obszary, które cieszą się mniejszym zainteresowaniem w innych częściach świata — oprogramowanie kwantowe i kontrola kwantowa. Mogą one mieć znaczące implikacje dla przyszłości europejskich technologii kwantowych.

Dokument zaczyna się od nakreślenia obszarów zainteresowania. Pierwsza, komunikacja kwantowa, oferuje możliwość przesyłania danych z jednego miejsca do drugiego z zachowaniem pełnej prywatności, gwarantowanej przez prawa fizyki. Staje się to coraz ważniejsze, ponieważ inna technologia — obliczenia kwantowe — wkrótce będzie w stanie złamać powszechnie stosowane obecnie szyfrowanie. Bezpieczna komunikacja to jeden z fundamentów nowoczesnego społeczeństwa, umożliwiający handel elektroniczny i zapewniający prywatność komunikacji biznesowej, rządowej i wojskowej.

Problem polega na tym, że istniejące systemy komunikacji kwantowej są drogie i skomplikowane w zarządzaniu i obsłudze. Kolejnym etapem ewolucji tych systemów jest uczynienie ich znacznie łatwiejszymi w zarządzaniu.

Komisja twierdzi, że jest to nieuchronne: w ciągu najbliższych trzech lat można przewidzieć rozwój autonomicznych systemów [komunikacji kwantowej] na odległości metropolitalne, które będą dotyczyć niskich kosztów wdrożenia, wysokich bezpiecznych szybkości kluczy (> 10 Mb/s) i multipleksacji.

Innym problemem jest to, że komunikacja kwantowa działa tylko w przypadku połączeń punkt-punkt o długości około 100 kilometrów. Dlatego naukowcy pracują również nad routerami kwantowymi, które mogą wysyłać sygnały znacznie dalej. Za 6 lat prawdopodobnie zobaczymy [systemy komunikacji kwantowej] w sieciach testowych, demonstrujących duże odległości za pośrednictwem zaufanych węzłów, systemów platform lub satelitów na dużych wysokościach, a także wielowęzłowych lub przełączalnych sieci wewnątrzmiejskich, z których wszystkie będą Raport stwierdza, że ​​wymagają inicjowania projektów infrastrukturalnych na dużą skalę.

Kolejnym obszarem są obliczenia kwantowe, które wykorzystują procesy kwantowe do generowania imponującej wydajności przetwarzania danych. Od kilku lat jest to możliwe w skali zaledwie kilku bitów kwantowych lub kubitów. Dzisiejsze wyzwanie polega na skalowaniu komputerów kwantowych do 100 lub więcej kubitów.

Ta mapa drogowa przedstawia pięć potencjalnych sposobów osiągnięcia tego celu, wykorzystując systemy przechowujące i przetwarzające informacje kwantowe na różne sposoby. Obejmują one przechowywanie informacji w jonach uwięzionych w polu magnetycznym lub w jądrach atomowych osadzonych w krzemie lub węglu, w przepływie prądu przez maleńkie obwody nadprzewodnikowe lub w fotonach przemieszczających się w obwodach fotonicznych.

Komisja wyraźnie oczekuje przetwarzania kwantowego na dużą skalę przy użyciu jednej lub więcej z tych technologii w ciągu pięciu do dziesięciu lat. Znacznie mniej jasne jest, czy najpierw zostanie to zrobione w Europie.

Symulacja kwantowa to trzeci obszar inwestycji. Symulowanie złożonych właściwości kwantowych na zwykłym komputerze jest prawie niemożliwe. Ale systemy kwantowe można stworzyć tak, aby mniej lub bardziej perfekcyjnie symulowały aspekty innych systemów kwantowych.

Fizycy bawią się różnymi sposobami na zrobienie tego. Podstawową ideą jest znalezienie dobrze zrozumianego układu kwantowego, łatwego do manipulowania i mierzenia, a następnie wykorzystanie go do symulacji układu, który jest trudny do manipulowania i pomiaru.

Dobrze poznane systemy obejmują ultrazimne atomy i molekuły, jony uwięzione w polach magnetycznych oraz obwody nadprzewodnikowe. Bardziej złożone układy, które fizycy chcą zrozumieć, występują w fizyce wysokich energii, kosmologii, fizyce statystycznej, a nawet biologii, gdzie procesy kwantowe wydają się odgrywać rolę w przenoszeniu energii. Obietnica jest taka, że ​​symulacja kwantowa może zapewnić wgląd we wszystkie te obszary.

Ale są poważne wyzwania. Obejmują one znalezienie interesujących systemów, które można symulować za pomocą istniejących technik, oraz zaprojektowanie odpowiedniego eksperymentu w tym celu. Ponadto fizycy muszą znaleźć sposoby, aby upewnić się, że system poprawnie wykonał symulację.

Jak wiele z tego będzie możliwe w ciągu najbliższych 10 lat, nie jest jeszcze jasne.

Czwartym obszarem zainteresowań są wykrywanie kwantowe i metrologia. Chodzi o to, że jeśli chcemy wykorzystać świat kwantowy, musimy być w stanie go zmierzyć i wyczuć. Oznacza to mierzenie wszechświata w skali atomów i fotonów w odpowiednio krótkich skalach czasowych.

Fizycy mają do tego szeroką gamę narzędzi, ale wszystkie wymagają udoskonalenia. Zatem zegary kwantowe muszą być bardziej precyzyjne, czujniki atomowe muszą być bardziej czułe, a czujniki optomechaniczne muszą mieć większe możliwości.

Mapa drogowa kończy się omówieniem dwóch nowych obszarów zainteresowania. Pierwsza to kontrola kwantowa: zdolność do manipulowania systemami kwantowymi za pomocą zewnętrznych pól lub sił elektromagnetycznych. Celem kwantowej optymalnej kontroli jest opracowanie i wdrożenie takich kształtów impulsów pól zewnętrznych lub sekwencji takich impulsów, które w najlepszy możliwy sposób dotrą do danego zadania w układzie kwantowym.

Innymi słowy, chodzi o popychanie systemów kwantowych falami radiowymi i wiązkami laserowymi, aby zachowywały się w określony sposób. Oczekuje się, że ten rodzaj precyzyjnego sterowania systemami kwantowymi umożliwi między innymi obliczenia i symulacje kwantowe na dużą skalę.

Drugim z tych nowych obszarów jest rozwój oprogramowania kwantowego, które jest znacznie trudniejsze do opracowania niż zwykłe oprogramowanie, ponieważ kubity mogą istnieć jako oba 0 s i jeden w tym samym czasie. Oznacza to, że kilka kubitów może wykonywać wiele obliczeń równolegle, dlatego komputery kwantowe są tak potężne.

Ale wyciągnięcie odpowiedzi z tych obliczeń jest trudne. A to sprawia, że ​​algorytmy kwantowe są bardzo kruche.

Potencjał polega na tym, że algorytmy kwantowe mogą znacznie przewyższyć klasyczne obliczenia. Ale znalezienie algorytmów, które to potrafią, jest trudne. To oprogramowanie będzie musiało działać na skalę zarówno komputerów, jak i całych sieci. Postęp w tej dziedzinie może zapewnić Europie sposób na pokonanie konkurentów, którzy mają przewagę w rozwoju sprzętu.

Jednym z najbardziej ekscytujących problemów jest opracowanie teorii informacji kwantowej. Klasyczna teoria informacji opracowana w latach 40. i 50. przez matematyka i inżyniera Claude'a Shannona stała się podstawą nowoczesnej informatyki i komunikacji. Podobnie silna teoria informacji kwantowej wymyka się teoretykom, ale jej opracowanie jest ważnym celem w Europie. Wiele będzie zależeć od wyniku.

Jeśli ta mapa drogowa jest dokładnym podsumowaniem podejścia Europy do rozwoju technologii kwantowych, jej światowi rywale raczej nie będą się trząść. W przeważającej części plan nie ma ambicji w stosunku do pracy w innym miejscu. Na przykład Chiny mają już na orbicie satelitę zdolnego do komunikacji kwantowej z ziemią, a to jest przedmiotem zazdrości społeczności kwantowej na całym świecie.

Wyjątki dotyczą kontroli kwantowej i oprogramowania kwantowego. Są to technologie wspomagające o szerokim zastosowaniu w świecie kwantowym i mogące stanowić ważną odskocznię dla Europy.

Jedną wielką niewiadomą jest rola przemysłu w przyszłości technologii kwantowych. Europa desperacko pragnie współpracować z firmami takimi jak Google, IBM i Microsoft, które samodzielnie rozwijają technologie kwantowe. Ale jak dotąd większość tej pracy została wykonana w Stanach Zjednoczonych. Zmiana tego ukierunkowania musi być priorytetem, jeśli Europa ma uzyskać odpowiednie korzyści z inwestycji o wartości miliardów euro.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1712.03773 : Europejska mapa drogowa technologii kwantowych

ukryć