Как наконец разобраться в квантовых вычислениях

Кажется, в наши дни квантовые вычисления довольно часто появляются в новостях. Вы, наверное, видели квантовые чипы, украшающие ваши каналы, и их странные системы охлаждения в стиле стимпанк на страницах журналов и газет. Политики и бизнес-лидеры также все чаще приправляют свои заявления словом «квантовый». Если вы чувствуете себя немного в замешательстве из-за всего этого, это хороший год для новогоднего решения наконец выяснить, что такое квантовые вычисления.

Это амбициозная цель, и выбор времени, безусловно, имеет смысл. В прошлом году индустрия квантовых вычислений добилась многих научных достижений, и теперь эта область заслуживает внимания. более 1 миллиарда долларов – эта цифра, по прогнозам, удвоится в течение следующих двух лет. Но там, где есть деньги и растущий интерес, обязательно будет и много ажиотажа.

Остается множество вопросов о том, когда и как квантовый компьютер сможет превзойти обычные компьютеры. Математики и теоретики, возможно, смогут ответить на некоторые из них, но лучше всего будет просто построить более совершенные квантовые компьютеры и возиться с ними. Однако даже это непросто: не существует широкого консенсуса относительно того, как создать лучший квантовый компьютер.

Что еще хуже для тех, кто интересуется квантовыми вычислениями, квантовую механику действительно трудно понять. Физики до сих пор расходятся во мнениях относительно того, как именно нам следует понимать такие странные квантовые явления, как наложения или запутанность. Однако именно эти странные свойства являются важнейшими ингредиентами квантовых вычислений.

Если это звучит ошеломляюще, вы не одиноки. Но я считаю, что эти барьеры не являются непреодолимыми. Просто посмотрите на детей.

Раньше я работал учителем в средней школе, и в моих классах всегда было несколько учеников, которые после лекций задерживались и задавали мне удивительно технические вопросы о квантовых вычислениях. Им было любопытно, и этого было достаточно, чтобы они узнали достаточно, чтобы задавать важные вопросы, даже когда их знание математики и физики не было исключительно высоким. Однажды ко мне обратился студент после прохождения летом онлайн-курса по квантовым вычислениям просто ради развлечения, и он фактически знал больше о написании кода квантового компьютера, чем я! Следующий год мы провели, работая над уроками, которые в противном случае я преподавал бы только студентам колледжа.

Несколько месяцев назад я нашел еще одного искателя квантовых знаний, который начинал рано. 9-летний ютубер по имени Кай является соведущим подкаста под названием Квантовый ребенокв котором он задает вопросы о квантовых компьютерах ведущим мировым экспертам, в то время как более 88 000 подписчиков смотрят и учатся вместе с ним.

Соведущая Кая — его мать, Катя Москвич, физик с многолетним опытом написания научных статей. Москвич работает в компании Quantum Machines, которая производит обычные вычислительные устройства, помогающие квантовым компьютерам работать, поэтому она не новичок в этой отрасли. Кай привносит в подкаст много любопытства и волнения, и ему выпала большая честь задавать вопросы людям, которые сыграли огромную роль в формировании наших современных представлений о квантовых вычислениях.

Питер Шор сформулировал самый известный алгоритм квантовых вычислений и присоединился к подкасту, чтобы поговорить с Каем о том, какое отношение квантовые компьютеры могут иметь к повышению устойчивости и борьбе с изменением климата. В том же эпизоде появляется нобелевский лауреат и бывший министр энергетики США Стивен Чу. Ученый-компьютерщик Скотт Ааронсон, влиятельный эксперт по алгоритмам квантовых вычислений, беседует с Каем о том, допускает ли квантовая механика путешествия во времени и может ли даже такая причудливая идея теоретически иметь какую-то связь с квантовыми вычислениями. Джон Прескилл, еще один физик, чья работа повлияла на то, как мы сегодня измеряем успех квантовых компьютеров, начинает беседовать о квантовых вычислениях и робототехнике вместе с робототехником Кеном Голдбергом.

Чтобы внести ясность, The Quantum Kid не обязательно предоставит вам строгие математические знания о квантовых вычислениях, но это отличное начало и очаровательный способ услышать мнение некоторых из самых громких имен в этой области. Большинство эпизодов затрагивают основы квантовой механики, такие как состояния суперпозиции или принцип неопределенности Гейзенберга, но чтобы по-настоящему понять их в деталях, я бы рекомендовал читать дальше. возможно, в такой публикации, как Новый учёный.

Ценность и очарование «Квантового ребенка» заключаются в том, что Кай задает именно те вопросы, которые могут возникнуть у вас, если все, что вы знаете о квантовых компьютерах, — это то, что они в чем-то особенные и потенциально очень мощные. Другими словами, если вы решили, наконец, разобраться в квантовых компьютерах, но чувствуете, что ничего не знаете, Кай здесь, чтобы посоветовать вам проявить любопытство и все равно задавать вопросы. (Я также буду рад помочь вам пройти через тернистый мир всего квантового.)

Могут ли квантовые компьютеры помочь нам исследовать космос или путешествовать в прошлое? Могут ли они помочь нам создать более умных роботов и бороться с изменением климата? Сможем ли мы когда-нибудь использовать их, чтобы улучшить навигацию самолета или создать материалы, которые сейчас кажутся фантастикой? Ответы на эти вопросы сложны, многогранны и полны неопределенности. Объяснение этого взволнованному 9-летнему ребенку требует ясности и доброты, что также принесет пользу зрителям «Квантового ребенка». Мне нравилось слышать, как Питер Шор неоднократно говорил, что существующие квантовые компьютеры, по большому счету, недостаточно мощны, чтобы изменить мир, не ослабив при этом полностью энтузиазм Кая.

В первом эпизоде физики Ренато Реннер говорит Каю, что «вы вырастете с новой машиной, которая потенциально может делать новые вещи, и вам придется подумать о том, как ее использовать», что задает оптимистичный, обращенный в будущее тон подкаста, который поддерживают многие его гости.

Это также правильный подход к любому проекту квантового обучения, который вы можете начать в этом году – сочетание энтузиазма, воображения и любопытства Кая, а также обоснованного и тонкого опыта его гостей. Квантовые вычисления сложны и полны предостережений, но это говорит о их полной новизне, а что может быть более захватывающим? И если 9-летний ребенок может это попробовать, вы, безусловно, тоже можете попробовать.