Виртуальная квантовая лаборатория - ВКЛ

О сайте

Сайт ВКЛ создан и поддерживается сотрудниками кафедры Суперкомпьютеров и квантовой информатики ВМК МГУ для координации научных работ по квантовой тематике. Главная тема исследований - квантовый компьютер (КК). Это большой проект, направленный на управление сложными системами на фундаментальном, квантовом, уровне. Отдельные аспекты такого управления служат предметом естественных дисциплин: физики, химии и биологии, а также технологий нано-электроники и связи. Исследования вопросов управления во всех этих областях непосредственно касаются проекта КК, так как эффективное управление с предсказуемым результатом требует описания самой системы (молекулярных комплексов, нано-устройств, линий коммуникаций) на квантовом уровне. На сайте материалы по квантовому компьютеру классифицированы и снабжены ссылками, по которым их можно скачать и прочитать, либо посмотреть. Сайт будет также полезен всем изучающим квантовую информатику: квантовый компьютер и квантовые коммуникации.

Конференция «Квантовая информатика — 2021» Второе информационное сообщение

Изучение предмета

Мы не предполагаем предварительных знаний квантовой теории, все материалы доступны тем, кто овладел материалом первых двух лет университета по естественной или технической специальности. Необходимо владение математическим анализом и линейной алгеброй, а также умение программировать в каком-либо языке высокого уровня; приведенные примеры написаны на Python.

Изучение квантовой теории применительно к сложным системам проще начать с прослушивания видеолекций

Лекции по квантовой механике для всех

Не пугайтесь если что-то будет не совсем понятно. Квантовую теорию невозможно изложить так же последовательно, как, например, математический анализ. Здесь все связано и одно цепляет другое. Наберитесь терпения и приготовьтесь вновь и вновь возвращаться к непонятным местам, ознакомившись с другими источниками.

Для более глубокого изучения материала рекомендуем обратиться к книгам:

КЭД. Странная теория света и вещества (Р.Фейнман) - превосходное изложение основных понятий квантовой механики почти без применения математики

Квантовая механика (Р.Фейнман, Р.Лэйтон, М.Сэндз) - фейнмановские лекции по физике

Квантовая механика, 1,2 том (К.Коэн-Таннуджи, Б.Диу, Ф.Лалоэ) - обстоятельно рассказано о большой части квантовой теории

Квантовая механика, нерелятивистская теория (Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц) - каноническая книга от творцов, 60 годы

Теория открытых квантовых систем (Ф. Петруччионе, Х.-П. Бройер) - стандартное описание контакта с окружением

Динамика сложных квантовых систем (В.М.Акулин) - сложные квантовые системы, поддающиеся стандартному описанию

Введение в квантовую теорию информации (А.Ю.Хренников) - информационный аспект квантовой теории

Квантовый компьютер (Ю.И.Ожигов) - современный взгляд на проблему квантового компьютера глава 1 глава 2 глава 3 глава 4, Приложение. Книга, вышедшая в редакции Макс Пресс, доступна после регистрации в e-library по ссылке.

Важнейшей составляющей обучения является решение задач на компьютерное моделирование динамики сложных квантовых состояний. Рекомендуем следующие методические источники.

Н.Михеев, Решения заданий на численное моделирование по квантовому основному уравнению (трек КИ летней суперкомпьютерной академии ВМК МГУ 2019

Выпускные работы магистров 2018 года и бакалавра по квантовой информатике

Направления исследований

ВКЛ реализуют ее основную цель - исследование и построение квантового компьютера. Более чем 30 - летняя история проекта КК ясно говорит о том, что этот проект выходит за пределы стандартной (копенгагенской) квантовой физики. Для его реализации необходимо развить саму квантовую механику. В этом коренное отличие проекта КК от микро- и нано- электроники. Стандартный путь построения КК, предложенный Ричардом Фейнманом в 1982 году, исходит из неограниченности копенгагенского подхода к микромиру. Но эксперименты ясно говорят о том, что у стандартного подхода есть границы, и эти границы вполне достижимы с помощью современных приборов.

Эксперименты в области КК ведутся во многих центрах в мире, в частности, и в МГУ. Их главная задача - определить возможно более точно границы применимости копенгагенской квантовой механики. Эти границы определяются сложностью объектов, к которым применяются стандартные квантовые методы. Численная мера квантовой сложности - число квантовых битов (кубитов) в системе, которая подчиняется копенгагенской механике. Пока у нас нет никакой иной теории микромира, кроме нее, надо точно выяснить, для какого числа квантовых битов она работает. Принципиальная схема такой проверки основана на квантовом алгоритме Гровера.

КК на одном кубите уже дает нам технологию большой важности - квантовую криптографию (QCrypto). Квантовые криптографические протоколы позволяют организовать распределение ключа таким образом, что перехватить его невозможно в принципе. Это обеспечивает абсолютную секретность квантовых каналов передачи информации, что недостижимо при классической криптографии.

КК на двух кубитах открывает нам особый феномен - запутанность квантового состояния системы 2 частиц. Удивительность этого феномена в том, что он демонстрирует так называемую квантовую нелокальность -

мгновенное действие на расстоянии. Этот феномен можно использовать в некоторых типах распределенных вычислений.

Построение многокубитного КК с потенциально неограниченной памятью означало бы возможность управления сложными процессами, принципиально более высокого уровня, чем сегодняшний. Химические и биохимические реакции. Распад и синтез атомных ядер. В этих областях мы пока не можем управлять так же надежно, как, например, электродинамическими процессами. Ответить на этот вызов должен квантовый компьютер, как бы он не выглядел. КК - большой проект, включающий много промежуточных шагов. Данная лаборатория охватывает только одну сторону данного проекта, непосредственно касающуюся создания software для квантового компьютера.

Ввиду ограниченности копенгагенской механики на первый план в построении КК выходит математическое обеспечение - квантовая операционная система. Она даст возможность продвинуть методы квантовой физики в область сложных процессов. Роль Computer Science здесь становится главной, с чем и связано создание лаборатории ВКЛ на факультете Вычислительной математики и кибернетики МГУ. Стартовать нужно с традиционного, фейнмановского подхода, опирающегося на элементарные унитарные операции - квантовые гейты. Их построение является первым направлением работы ВКЛ. Примером служит гейт coCSign на фотонах в оптических полостях.

Управление на квантовом уровне предполагает моделирование сложных процессов на квантовом компьютере. Для этого квантовая операционная система должна уметь моделировать квантовую динамику ограниченных систем. Важным классом математических моделей здесь явлются конечномерные модели квантовой электродинамики (КЭД) в оптических полостях. С некоторыми недавними результатами работы сотрудников лаборатории можно ознакомиться здесь.

Полезные ссылки

Физико-технологический институт РАН, лаборатория физики квантовых компьютеров.

Архив препринтов.