Горизонты научного поиска

В Дубне с 30 июля по 2 августа прошла конференция "Квантовая физика и коммуникации". Это уже вторая конференция по данной тематике в ОИЯИ, первая состоялась в мае прошлого года. Отличием нынешнего совещания от предыдущего явилось то обстоятельство, что оно было организовано по предложению оргкомитета VII Всемирной конференции "Системный анализ, кибернетика и информатика" и стала частью этой международной акции. В работе конференции приняли участие ученые из ведущих физических центров Москвы, Санкт-Петербурга, а также из Бельгии, Германии, Израиля и Японии. Активную поддержку в организации и проведении обеих конференций оказали наши коллеги из Московского государственного университета, Сольвеевского института физики и химии и Института физики Академии наук Словакии.

Идея проведения таких конференций возникла в связи с необходимостью проанализировать большой научный материал, который накоплен в последнее время в новом направлении физики и информатики - квантовой информации. Данное направление возникло на стыке таких областей науки, как квантовая механика, теория информации, дискретная математика и информатика. Под квантовой информацией в настоящее время понимают широкий спектр исследований, которые связаны с квантовыми компьютерами и квантовыми вычислениями, с квантовой телепортацией и квантовой криптографией, то есть с тем, что позволяет нам расширить, а иногда даже и переосмыслить наши представления о законах микромира и извлечь большую практическую пользу в области передачи и обработки информации.

Это новое направление в силу своей практической значимости очень активно развивается во всем мире. В первую очередь, большие надежды связывают с созданием квантовых компьютеров, основанных на абсолютно новых принципах вычислений, которые помогут решить такие математические задачи, которые требуют колоссального счетного ресурса. Дело в том, что основу квантовых компьютеров составляют процессоры, работающие на квантовомеханических принципах. Такие процессоры оперируют не с обычными битовыми регистрами памяти, а с кубитовыми регистрами, представляющими с физической точки зрения сильно скореллированные (так называемые перепутанные) квантовые состояния, не имеющие аналога в привычном нам макромире. Носителями таких элементов квантовой информации могут быть различные физические объекты: фотоны, атомы и молекулы. Благодаря скореллированности их состояний достигается высокая степень распараллеливания квантовых вычислений, и, как результат, высокая скорость счета.

Конечно, для того чтобы квантовые компьютеры могли составлять конкуренцию современным обычным (классическим) компьютерам, нужно научиться делать квантовые процессоры, работающие с десятками или даже с сотнями кубитов, что пока представляется практически нереальным. Перепутанные квантовые состояния являются ключевыми и для передачи информации между удаленными объектами методами квантовой криптографии и квантовой телепортации. В настоящее время эти методы получили целый ряд ярких экспериментальных демонстраций (особенно передача секретного кода), что может говорить о скором практическом их использовании. С другой стороны, продвижение в квантовой информации было бы невозможно без разработки новых теоретических подходов в квантовой теории, а также без развития новой, квантовой, математической логики. Вот почему полезны такие конференции, на которых ученые могут представлять свои результаты по различным направлениям квантовой информации и вести дискуссии.

На конференции был затронут весьма широкий спектр проблем, стоящих перед современной теорией квантовой информации. Так, в докладе В.Белокурова, представлявшего результаты работы ученых из МГУ, было дано развитие подхода к описанию различных процессов с помощью условной матрицы плотности, которая может быть определена как обобщение обычной матрицы плотности фон Неймана в случае, когда система разбивается на ряд подсистем. В частности, условная матрица плотности представляется полезной для рассмотрения таких важных для квантовой информации процессов, как парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена и квантовой телепортации.

Доклад ученых из Института имени Вейцмана (Реховот, Израиль), Лаборатории имени Котона (Орсэ, Франция), сделанный И.Мазецом из Физико-технического института имени Иоффе (Санкт-Петербург), а также доклад Е.Яревского из Сольвеевского института физики и химии (Брюссель, Бельгия) были посвящены применению эффекта Зенона для защиты от повреждений информации, записанной на квантовом уровне. Эффект Зенона замедление эволюции микроскопической системы, подвергающейся часто повторяющимся измерениям, давно известен как один из наиболее фундаментальных выводов квантовой теории. Теперь же ему может найтись применение в области, которая через 10-20 лет обещает стать интенсивно развивающимся направлением современной технологии.

Другая группа докладов была посвящена физическим схемам получения различных состояний из атомных ансамблей, которые могли бы быть использованы в квантовых компьютерах (Т.Миядера из Токийского научного университета, Япония, А.Башаров из "Курчатовского института", В.Горбачев из Санкт-Петербургского государственного университета авиакосмических приборов, Г.Мирошниченко из Института точной механики и оптики в Санкт-Петербурге), и самим моделям простейших квантовых компьютеров, нацеленных на решение частных математических задач (А.Казаков из Санкт-Петербургского государственного университета авиакосмических приборов, Ю.Рыбаков и Т.Камалов из Российского университета дружбы народов).

Тот факт, что Дубна стала местом проведения конференции по квантовой информации, говорит о возросшем авторитете ученых ОИЯИ в этой области. Сотрудники Лаборатории теоретической физики и Лаборатории информационных технологий в своих докладах сообщили о новых результатах практически по всем основным направлениям исследований в квантовой теории информации. В их выступлениях рассматривались важные вопросы строгого определения меры перепутанных состояний (В.Юкалов, ЛТФ) и их использование в квантовой телепортации (А.Чижов, ЛТФ), некоторые модели квантовых компьютеров, построенных на атомных системах (С.Виницкий, ЛТФ) и в М-теории (Н.Махалдиани, ЛИТ), а также описание биологических систем квантовомеханическими методами (М.Алтайский, ЛИТ, Ф.Гареев, ЛТФ). Проблемы разработки логических квантовых вентелей и оптимизационных квантовых алгоритмов были затронуты в докладах В.Северьянова и Б.Костенко (ЛИТ). О статистических особенностях передачи информации говорилось в выступлении В.Иванова (ЛИТ). О моделировании потоков информации в триггерных процессорах для экспериментов ЦЕРН сообщалось в докладах И.Киселя (ЛИТ) и его немецкого коллеги В.Линденштрута из Института физики имени Кирхгоффа (Гейдельберг).

По общему мнению, дубненская конференция получилась очень полезной, и всеми участниками было выражено общее желание сделать ее традиционной.

Алексей Чижов