Таким образом, в отличие от классической физики, которая основана на гравитации и законах Ньютона, квантовые частицы действуют по своим собственным правилам. Такие концепции, как гиперминирование, например, предполагают одновременность квантовых систем в различных ситуациях.
Квантовые технологии. Модуль 1
Цель этого урока — объяснить структуру квантового мира, его законы и то, как квантовые явления полезны для ученых и инженеров, а также то, как производятся и работают квантовые устройства.
Многие квантовые устройства фактически уже доступны в виде лабораторных положений, технических прототипов, некоторые из которых можно даже приобрести. Вскоре ИТ-специалисты столкнутся с необходимостью понять, как работают квантовые устройства.
Развитие традиционной электроники приближается к своему пределу. Невозможно создать транзисторы меньше определенного размера. Это означает, что рост вычислительной мощности на единицу объема устройства скоро остановится. Тысячи ученых и инженеров ищут способы обойти эти границы. Многие эксперты считают, что будущее за квантовыми решениями.
— Что такое квант — как ученые узнали о существовании квантовых явлений — — чем квантовый мир отличается от известного нам мира классической физики и какие законы им управляют.
Оглавление
Модуль 1: Основные законы квантового мира контрольная работа
Что такое квант?
Коротко: Энергия и излучение передаются не постоянно, а конечными интервалами, Квантами.
Долго: слово «Quantum» можно перевести с английского как «количество, порция, квант». Само название говорит о том, что одной из основ квантовой механики является начало «квант». Согласно этому принципу, энергия излучения поглощается и передается участку — кванту. Это относится ко многим объектам в микровселенной, в частности, к индивидуумам и электронам.
Пример: мы постоянно сталкиваемся с трансформацией «квантов» в повседневную жизнь. При работе с цифровыми технологиями. Например, звук имеет волновые свойства и записывается «как есть» аналоговыми устройствами. Это означает, что колебания мембраны микрофона преобразуются во фрагменты в лотке граммофона. При цифровой записи звук «квантуется». Техник измеряет объем с определенной частотой (называемой частотой дискретизации) и получает в общей сложности 32 «количественных» значения.
Квантовые процессы в атоме
Планетарная модель, известная со школы Эрнеста Резерфорда, в которой электронная планета ходит вокруг ядра и песка, не может существовать в действительности. Согласно законам классической физики, электроны должны выделять и терять энергию при движении и ускорении по круговой орбите. Следовательно, через очень короткое время электрон должен упасть в ядро, и он/она перестает существовать.
Нильс Бор Квантовая почта сообщила, что электроны в атомах имеют определенный набор различных энергетических состояний (уровней или треков) и что электроны излучают (т.е. испускают) фотоны определенной энергии только тогда, когда они переходят на более низкий уровень. Пока электрон находится на определенном энергетическом уровне, он не будет излучать — он может излучать только при переходе на другой уровень.
Например, теория индивида Бора позволила ему объяснить существование линейчатого спектра. Линии спектра показывают, что индивидуумы готовы поглощать или излучать только на определенных благоприятных частотах. Это невозможно объяснить классическими методами. Только новое понимание человека позволило понять, что линии в спектре соответствуют определенным энергетическим уровням.
Энергетический переход к человеку: в результате поглощения фотона электрон переходит на более высокий энергетический уровень (например, с E на1 к е.2рисунок) и эмиссии на более низких энергетических уровнях (например, от e до3 к е.2).
Переход энергии к человеку зависит от длины волны поглощенного или испущенного излучения. По договоренности их называют именами ученых, открывших линии, соответствующие этим переходам в спектре: серия Лаймана, серия Бальмера и т.д.
Квантовая природа энергии может быть передана людям для создания первых квантовых устройств: лазеров. Их функциональность основана на использовании явления возбуждения.
По сути, это явление означает, что путем излучения вещества, представляющего собой излучение определенной длины волны, можно добиться обратного захвата энергетического уровня индивидуума. Большинство электронов генерируется на верхнем этаже. Затем они начинают излучать, но не «нормальный» свет, а последовательный монохромный свет, т.е. строго выровненный по фазе и определенной длине волны.
Более того, квантовый стандарт частоты и индивидуальные часы, которые измеряют время с очень точной периодичностью энергетических переходов индивидуума, основаны на использовании энергетических переходов.
Природа этой неопределенности связана с процессом измерения. В «классическом» мире измерение мало влияет на измеряемые параметры. В квантовом мире измерительные приборы влияют на систему и взаимодействуют с ней. То есть, он образует с ними единую квантовую систему на некоторое время, внося таким образом интерференцию, которую невозможно воспроизвести.
К — квантовая технология: зачем человечеству суперкомпьютер
Чтобы следить за развитием событий и быть в курсе новостей, подпишитесь на подкасты Apple Podcast, Яндекс.Музыка и CastBox. Оцените и поделитесь комментариями о том, что вы считаете немыслимым в общении 21 века.
Что такое квантовые технологии
Квантовые технологии — это очень перспективная область физики, которая изучает квантовую механику и разрабатывает инновации на основе квантов — неделимых частиц, людей или фотонов. Смартфоны и плоские телевизоры, какими мы их знаем, являются результатом исследований в области квантовых технологий. Этот процесс еще не завершен. Этот сектор имеет большой потенциал. Наиболее развитым сектором является сектор исследований квантовых компьютеров, которые могут быть использованы для изучения далеких планет и выйти за рамки вычислений. Квантовые компьютеры также являются мощными вычислительными инструментами, поскольку они могут, например, анализировать 30-40-значные числа за секунды с точностью до первого фактора и получать доступ даже к самым конфиденциальным данным.
Существует несколько направлений развития квантовых технологий.
- Квантовые коммуникации, занимающиеся созданием защищенных сетей связи. Кроме того, квантовые коммуникации — это потенциальная защита от атак, осуществляемых с использованием квантового компьютера.
- Квантовые сенсоры — область по разработке сверхточных и чувствительных датчиков, которые можно будет применять в медицине, системах спутниковой связи и археологии.
Что из квантовых технологий уже существует
Большинство квантовых технологий доступны только в лабораториях. Действительно, это было продемонстрировано в Китае, который в 2017 году открыл квантовое соединение между Пекином и Шанхаем. Год назад Китай сам запустил свой первый квантовый спутник «Мо-Цзы». Его главная миссия — создать связь между Пекином и Веной. Такой мост может быть полностью защищен от хакерских атак.
Крупные компании также тестируют квантовые технологии. Например, компания Microsoft начала тестирование AzureQuantum, услуги, которая предоставляет пользователям доступ к квантовому компьютеру. Стоимость Azure Quantum составляет от 10 до 900 долларов США в час.
Другая группа исследователей успешно смоделировала на квантовом компьютере теорию решетки, которая описывает взаимодействие между элементарными частицами, такими как кварки и глюоны.
Квантовые вычисления и технологии
Квантовая теория необходима для понимания того, что ядерные структуры, протоны и нейтроны, составляющие ядро частицы, сильно притягиваются ядерными силами и сталкиваются, высвобождая ядерную энергию.
Квантовые явления также лежат в основе полупроводников и транзисторов, которые привели к настоящей электронной революции и массовому производству классических компьютеров. И они могут быть усовершенствованы с точки зрения современных технологий, основанных на квантовой теории.
Запутанность квантовых состояний реальна.
Например, информация в обычных компьютерах представлена в виде битов, которые могут иметь только два состояния — 0 или 1. Наложение квантовых битов позволяет компьютеру хранить и 0, и 1, и комбинации по отдельности. Оба значения одновременно — с помощью наложения этих двух состояний.
Действительно, квантовые вычисления являются самой горячей темой среди физиков и инвесторов из-за их невероятного потенциала скорости и эффективности по сравнению с обычными компьютерами. Однако еще многое предстоит сделать, прежде чем квантовые компьютеры появятся на рынке.
Чтобы создать работающий квантовый компьютер, объекты должны быть наложены друг на друга достаточно долго, чтобы выполнить над ними различные процессы.
По мнению некоторых исследователей, квантовые компьютеры дадут нам возможность изучать саму квантовую физику неизвестными ранее способами. Например, его можно использовать для моделирования поведения молекул лекарств и разработки новых материалов для более эффективных батарей и источников энергии.
Квантовая телепортация, датчики и связь
Хотя это звучит как научная фантастика, связи между запутанными парами частиц необходимы для успешной квантовой телепортации. Исследователи провели множество экспериментов и успешно телепортировали фотоны с Земли на орбиту в 2017 году. Квантовая телепортация также поддерживает планы по созданию квантового интернета.
Во-вторых, квантовые датчики могут измерять такие стимулы, как магнитные поля и радиочастотные сигналы. Их можно использовать, в частности, для раннего выявления рассеянного склероза, для мониторинга и раннего предупреждения о вулканической активности и для того, чтобы помочь автомобилям «увидеть», где они свернули за угол.
Квантовая технология — сложная область физики, изучающая поведение элементарных частиц.
Что касается квантовой связи, то защита данных с использованием законов квантовой физики может применяться для обмена конфиденциальной информацией для шифрования и аутентификации. Квант также может быть использован для вычисления и решения некоторых проблем, с которыми не могут справиться обычные компьютеры.
Квантовое будущее
Страны всего мира, включая Китай, Канаду и США, объявили о выделении миллионов и миллиардов долларов на продвижение квантовых технологий и работы в области квантовых информационных технологий. Очевидно, что квантовые информационные технологии окажут огромное влияние на мир, и сейчас мы начинаем понимать, как будет выглядеть квантовое будущее.
Когда квантовые компьютеры станут достаточно большими и будут содержать тысячи или миллионы кубитов, они смогут понимать сложные химические реакции и разрабатывать новые лекарства. Это приведет к разработке новых материалов и вычислений.
Разработка квантовых компьютеров позволит совершить научные открытия в области биологии, химии, медицины и транспорта.
В конечном итоге все эти данные позволят ученым оптимизировать алгоритмы для искусственного интеллекта и машинного обучения, кибербезопасности и экономики, а также взломать коды, на которых основана безопасность современных систем связи.
Более того, некоторые исследователи считают, что в следующем десятилетии наконец-то появится искусственный интеллект. Интересно, что появление квантовых технологий также приблизит нас к новому пониманию природы, Вселенной и самих себя. И как вы думаете, инновации в квантовой теории первыми приведут нас туда? Ответ вы найдете здесь, а также в комментариях к этой статье.
Учитывая последние разработки в области «квантового шумоподавления», можно сказать, что вместо вычисления правильных химических свойств методом проб и ошибок, мы можем использовать квантовые компьютеры для разработки материалов следующего поколения.
Квантовая безопасность
Еще одна технология, которая способна изменить мир, — это квантовая связь. Это называется передачей информации, закодированной в квантовой ситуации фундаментальных частиц. Это достигается путем квантовой телепортации, т.е. передачи информации о квантовом состоянии выполняемого аналога. Лабораторные эксперименты в этой области начались в 2000-х годах, а сегодня ведущие исследовательские группы создают квантовые соединения между городами.
Что такое квантовое превосходство?
Преимуществом таких коммуникаций является абсолютная безопасность. Переданное сообщение просто невозможно украсть — этому препятствует сама природа квантового транспорта, используемого при передаче. Поэтому квантовая связь может послужить решением серьезных проблем, ведущих к появлению достаточно мощных квантовых компьютеров. Дело в том, что «классические» алгоритмы шифрования могут быть быстро взломаны. Без безопасных квантовых коммуникаций квантовое будущее немыслимо, поскольку это ставит под угрозу частную, корпоративную и национальную безопасность.
Наконец, еще одним важным сектором, который должен развиваться наряду с квантовыми вычислениями и квантовой связью, является квантовое обнаружение. Высокочувствительные сенсоры и детекторы, работающие на квантовых явлениях, не только необходимы для развития квантовой связи, но и значительно улучшают возможности многих «классических» видов связи — даже удаленной космической связи. Эти же устройства позволят значительно повысить точность и анализ измерений, доступных человечеству, начиная от медицины и биотехнологий и заканчивая астрономическими наблюдениями.
Квантовая долина
Компания Google создала Sycamore, один из самых совершенных квантовых компьютеров на сегодняшний день. Он содержит 54 кубита (53 из которых работают одновременно). В октябре 2019 года компания опубликовала в журнале Nature отчет о результатах эксперимента, в котором Sycamore смог выполнить вычисления за 200 секунд. Для этого необходим самый мощный суперкомпьютер за последние 10 000 лет. Таким образом, Google стала первой компанией, достигшей «квантового превосходства» в лабораторных условиях.
Мы намерены сделать наши новейшие квантовые процессоры доступными не только для коллабораторов по всему миру, но и для компаний, заинтересованных в разработке алгоритмов и поиске практического применения квантовых вычислений. Кроме того, наша цель — как можно быстрее создать лучшие квантовые компьютеры. «Это может найти применение в самых разных областях — от производства новых материалов для автомобилей и самолетов до разработки лучших лекарств», — сказал он. МаркусХоффманн, партнер Google, ответственный за квантовые компьютеры.
В настоящее время развитие квантовых компьютеров находится на стадии шумного среднемасштабного квантового компьютера (NISQ). Такие системы состоят из 50-100 кубитов и не могут быть смоделированы непосредственно на обычных суперкомпьютерах, а квантовые коды с коррекцией ошибок пока не используются4.
Солнечная энергия
Квантовые точки (наноразмерные полупроводниковые частицы с уникальными электронными и оптическими свойствами, обусловленными квантовой механикой) могут эффективно преобразовывать солнечную энергию в электрическую. Это может значительно снизить выбросы углекислого газа и улучшить существующие технологии производства энергии.
Австралийские исследователи из Университета Квинсленда уже разработали гибкие, пригодные для печати квантовые точки, которые обеспечивают эффективность преобразования энергии более 16%.
Нетоксичные материалы квантовых точек, такие как нанокристаллы сульфида висмута серебра, были широко изучены из-за их большого количества и безопасности. Несмотря на то, что коммерческое использование в больших масштабах еще не началось, некоторые небольшие компании начали продавать фотоэлектрические продукты на основе квантовых точек.
Чистые удобрения
Сегодня аммиачные удобрения производятся с помощью химического процесса, известного под названием «Хабер-Бош». Он соединяет атмосферный азот и водород при высоких температурах и давлении. Этот процесс потребляет большое количество энергии и выделяет много парниковых газов.
Если бы исследователи подробно изучили механизм нитрогеназы и поведение переходных металлов, они могли бы разработать более эффективные катализаторы для производства удобрений и многих других важных химических веществ, необходимых в промышленности.
К счастью, квантовые компьютеры однажды смогут смоделировать основной кофактор нитрогеназы (кофактор FeMo) и предоставить информацию о его механизме. Это поможет химикам создать энергоэффективные производственные процессы для синтеза азотных удобрений.
Открытие материала
Квантовые компьютеры основаны на квантово-механических явлениях, таких как суперпозиции и переплетения, и поэтому могут представлять другие квантовые системы гораздо легче, чем обычные компьютеры. Например, квантовые машины могут решить уравнение Шредингера для молекулы и вычислить ее допустимые энергетические состояния.
Можно будет моделировать сложные молекулы так, как не могут обычные компьютеры. Вместе разработка квантовых материалов и квантовых алгоритмов обещает всколыхнуть теоретическую химию.
Проверив шум в кубитах квантовой машины, исследователи смогут разработать более совершенные материалы с детально проработанными визуальными и механическими свойствами.
Учитывая последние разработки в области «квантового шумоподавления», можно сказать, что вместо вычисления правильных химических свойств методом проб и ошибок, мы можем использовать квантовые компьютеры для разработки материалов следующего поколения.
