Квантовая технология - Quantum technology

Квантовая технология является развивающееся поле физики и техники, которая опирается на принципы квантовая физика.[1] Квантовые вычисления, квантовые датчики, квантовая криптография, квантовое моделирование, квантовая метрология и квантовое изображение являются примерами квантовых технологий, в которых свойства квантовая механика, особенно квантовая запутанность, квантовая суперпозиция и квантовое туннелирование, важные.

В соответствии с Джон фон Нейман квантовая технология отличается от детерминированной классической механики, которая утверждает, что состояние определяется значениями двух переменных.[2] Он заявил, что квантовая технология определяется вероятности и это объяснение использовалось для оправдания превосходства технологии.[2]

Коллоидные квантовые точки, облученные УФ-светом. Квантовые точки разного размера излучают свет разного цвета из-за квантового ограничения.

Приложения

Зондирование

Состояния квантовой суперпозиции могут быть очень чувствительны к ряду внешних эффектов, таких как электрические, магнитные и гравитационные поля; вращения, ускорения и времени, поэтому их можно использовать для создания очень точных датчиков. Существует множество экспериментальных демонстраций устройств квантового зондирования, например, эксперименты, проведенные нобелевским лауреатом. Уильям Д. Филлипс об использовании интерферометрических систем холодного атома для измерения силы тяжести и атомные часы который используется многими национальными агентствами по стандартизации во всем мире для определения второго.

Прилагаются усилия для создания устройств квантового зондирования, которые будут дешевле, проще в использовании, более портативными, легче и потребляют меньше энергии. Ожидается, что в случае успеха это приведет к множеству коммерческих приложений, таких как мониторинг нефтяных и газовых месторождений или строительство.

Безопасное общение

Квантовая безопасная коммуникация - это методы, которые, как ожидается, будут «квантово-безопасными» с появлением квантовых вычислительных систем, которые могут прервать ток. криптография системы. Ожидается, что одним из важных компонентов квантовых безопасных систем связи будет Квантовое распределение ключей, или «QKD»: метод передачи информации с использованием запутанного света таким образом, чтобы любой перехват передачи был очевиден для пользователя. Еще одна технология в этой области - квантовый генератор случайных чисел, используемый для защиты данных. Это дает действительно случайное число, не следуя процедуре вычислительных алгоритмов, которые просто имитируют случайность.[3]

Вычисление

Квантовые компьютеры - это самая совершенная квантовая сеть и устройства, которые могут хранить и обрабатывать квантовые данные (в отличие от двоичные данные ) со ссылками, которые могут передавать квантовую информацию между «квантовыми битами» иликубиты '. Предполагается, что в случае успешной разработки квантовые компьютеры смогут выполнять определенные алгоритмы значительно быстрее, чем даже самый большой классический компьютер, доступный сегодня.

Ожидается, что квантовые компьютеры найдут ряд важных применений в вычислительных областях, таких как оптимизация и машинное обучение. Возможно, они наиболее известны своей ожидаемой способностью выполнять 'Алгоритм Шора ', который можно использовать для факторизации больших чисел, что является важным процессом в обеспечении безопасности передачи данных.

Квантовая 1.0

Сегодня доступно множество устройств, в основе которых лежит квантовая механика. К ним относятся: лазер системы, транзисторы и полупроводник устройства и другие устройства, такие как МРТ тепловизоры. Великобритания Лаборатория оборонной науки и технологий (Dstl) сгруппировал эти устройства как «квант 1.0»,[4] это устройства, которые полагаются на эффекты квантовой механики. Обычно они рассматриваются как класс устройств, которые активно создают, манипулируют и считывают квантовые состояния материи, часто используя квантовые эффекты суперпозиции и запутанности.

История

Сфера квантовой технологии была впервые описана в книге 1997 г. Джерард Дж. Милберн,[5] за которым последовала статья 2003 г. Джонатан П. Доулинг и Джерард Дж. Милберн,[6][7] а также статью 2003 г. Дэвид Дойч.[8] Область квантовой технологии извлекла огромную пользу из притока новых идей из области квантовая обработка информации, особенно квантовые вычисления. Разрозненные области квантовая физика, Такие как квантовая оптика, атомная оптика, квантовая электроника, и квантовый наномеханический устройства, были объединены в поисках квантовый компьютер и имея общий "язык", квантовая информация теория.

Квантовый манифест был подписан 3400 учеными и официально выпущен в 2016 г. Конференция Quantum Europe, призывая к инициативе квантовых технологий для координации между академическими кругами и промышленностью, для переноса квантовых технологий из лабораторий в промышленность и для обучения специалистов квантовых технологий сочетанию науки, техники и бизнеса.[9][10][11][12][13]

В Европейская комиссия ответил на этот манифест Флагман квантовых технологий,[14][15] 1 миллиард евро, сроком на 10 лет мегапроект, по размеру похожий на более ранние европейские Будущее и новые технологии Флагманские проекты, такие как Графен Флагман и Проект человеческого мозга.[11][16] Китай строит крупнейший в мире центр квантовых исследований с запланированными инвестициями в 76 миллиардов юаней (примерно 10 миллиардов евро).[17][18] Соединенные Штаты Америки,[19][20] Канада,[21] Австралия,[22] Япония [23] и Великобритания [24] также готовят национальные инициативы.

Национальные программы

Начиная с 2010 года, правительства нескольких стран разработали программы по исследованию квантовых технологий,[25] например, Национальная программа Великобритании по квантовым технологиям,[24] которые создали четыре квантовых «хаба», Центр квантовых технологий в Сингапуре и QuTech, голландский центр по разработке топологического квантового компьютера.[26] 22 декабря 2018 года Дональд Трамп подписал Закон США о Национальной квантовой инициативе с бюджетом в миллиард долларов в год, который широко рассматривается как ответ на успехи Китая в квантовых технологиях, особенно недавний запуск китайского квантового спутника. .

В частном секторе крупные компании неоднократно инвестировали в квантовые технологии. Примеры включают Google партнерство с группой John Martinis в UCSB,[27] множественное партнерство с канадской компанией квантовых вычислений Системы D-волны, а также инвестиции многих британских компаний в британскую программу квантовых технологий.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Чен, Раджасекар; Велусамы, Р. (2014). Справочник по проектированию мостов, набор из пяти томов, второе издание. Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. п. 263. ISBN  9781482263459.
  2. ^ а б Аэртс, Дидерик; Хренников, Андрей; Мелуччи, Массимо; Тони, Бурама (2019). Квантовые модели поиска информации и принятия решений. Чам, Швейцария: Springer Nature. п. 65. ISBN  9783030259129.
  3. ^ С любовью, Дилан (31 июля 2017 г.). "'Квантовая технология - это будущее, и оно уже здесь - вот что это значит для вас ". Business Insider. Получено 12 ноября, 2019.
  4. ^ [1]
  5. ^ Машины Шредингера, Дж. Дж. Милберн, W. H Freeman & Co. (1997) В архиве 30 августа 2007 г. Wayback Machine
  6. ^ "Квантовая технология: вторая квантовая революция , "Дж. П. Даулинг, Дж. Дж. Милберн, Phil. Trans. R. Soc. A 361, 3655 (2003)
  7. ^ "Квантовая технология: вторая квантовая революция, "Дж. П. Даулинг, Дж. Дж. Милберн, arXiv: Quant-ph / 0206091v1
  8. ^ "Физика, философия и квантовая технология, "Д. Дойч в материалах Шестой Международной конференции по квантовой коммуникации, измерениям и вычислениям, Шапиро, Дж. Х. и Хирота, О., ред. (Rinton Press, Princeton, NJ. 2003)
  9. ^ «Квантовый манифест квантовых технологий»
  10. ^ «Квантовый манифест»
  11. ^ а б Александр Геллеманс.Европа поставила 1 миллиард евро на квантовые технологии: 10-летний мегапроект выйдет за рамки квантовых вычислений и криптографии, чтобы продвинуть другие развивающиеся технологии ». Июль 2016. IEEE Spectrum.
  12. ^ Майкл Аллен.«« Квантовый манифест »для Европы требует финансирования в размере 1 млрд евро» В архиве 2017-03-31 в Wayback Machine.2016. Мир физики.
  13. ^ «Квантовый манифест: Европа лидирует в квантовых технологиях» В архиве 31 марта 2017 г. Wayback Machine.2016.
  14. ^ Ридель, Макс Ф .; Бинози, Даниэле; Тью, Роб; Каларко, Томмазо (2017). «Флагманская программа европейских квантовых технологий». Квантовая наука и технологии. 2 (3): 030501. Дои:10.1088 / 2058-9565 / aa6aca.
  15. ^ Ридель, Макс; Ковач, Матьяс; Золлер, Питер; Млынек, Юрген; Каларко, Томмазо (2019). «Инициатива европейского квантового флагмана». Квантовая наука и технологии. 4 (2): 020501. Дои:10.1088 / 2058-9565 / ab042d.
  16. ^ Элизабет Гибни."Европа планирует гигантский проект квантовых технологий на миллиард евро: Третий флагман Европейского Союза по размеру и амбициям будет похож на инициативы по графену и человеческому мозгу ». Апрель 2016. Природа.
  17. ^ «Китай строит крупнейший в мире центр квантовых исследований». Получено 17 мая, 2018.
  18. ^ Чжан, Цян; Сюй, Фейху; Ли, Ли; Лю, Най-Ле; Пан, Цзянь-Вэй (2019). «Квантовые информационные исследования в Китае». Квантовая наука и технологии. 4 (4): 040503. Дои:10.1088 / 2058-9565 / ab4bea.
  19. ^ «Национальная квантовая инициатива - план действий» (PDF). Получено 17 мая, 2018.
  20. ^ Раймер, Майкл Дж .; Монро, Кристофер (2019). «Национальная квантовая инициатива США». Квантовая наука и технологии. 4 (2): 020504. Дои:10.1088 / 2058-9565 / ab0441.
  21. ^ Суссман, Бен; Коркум, Пол; Блейс, Александр; Кори, Дэвид; Дамаскелли, Андреа (2019). "Квантовая Канада". Квантовая наука и технологии. 4 (2): 020503. Дои:10.1088 / 2058-9565 / ab029d.
  22. ^ Роберсон, Т. М .; Белый, А. Г. (2019). «Картографирование австралийского квантового пейзажа». Квантовая наука и технологии. 4 (2): 020505. Дои:10.1088 / 2058-9565 / ab02b4.
  23. ^ Ямамото, Ёсихиса; Сасаки, Масахиде; Таксу, Хироки (2019). «Квантовая информатика и технологии в Японии». Квантовая наука и технологии. 4 (2): 020502. Дои:10.1088 / 2058-9565 / ab0077.
  24. ^ а б Рыцарь, Питер; Уолмсли, Ян (2019). «Национальная программа Великобритании по квантовым технологиям». Квантовая наука и технологии. 4 (4): 040502. Дои:10.1088 / 2058-9565 / ab4346.
  25. ^ Сосредоточьтесь на квантовой науке и технологических инициативах по всему миру, Отредактированный Робом Тью, Томасом Дженневейном и Масахидом Сасаки, Quantum Science and Technology (2019)
  26. ^ «Немного лучше» The Economist, 18 июня 2015 г.
  27. ^ Человек, который построит неуловимый квантовый компьютер Google; Проводной, 09.05.14