Московский физико-технический институт (государственный университет)

Фундаментальные проблемы физики квантовых технологий

Фотография

Лесовик Гордей Борисович

руководитель образовательной программы

доктор физико-математических наук

Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Актуальная информация

Постер-презентация образовательной программы Ссылка на постер Более подробную информация можно найти, пройдя по ссылкам в меню слева или внизу страницы.

Способ перехода на образовательную программу Выбрать научного руководителя, а затем связаться с Гордеем Борисовичем и деканатом ФОПФ.

Новости

  1. По результатам конкурсного отбора  на финансирование развития научных и прикладных лабораторий в рамках реализации Программы 5-100 поддержку получила одна из базовых лабораторий  образовательной программы (Лаборатория физики квантовых информационных технологий под руководством Лесовика Г.Б.). 
  2. В рамках образовательной программы (на правах кафедры) ФОПФ (Школа ФФПФ) "Фундаментальные проблемы физики квантовых технологий" открыт набор в магистратуру.
    Способ поступления:
    Шаг 1) (Срочный!) поступить на общих основаниях в магистратуру ФОПФ.
    Шаг 2) В течение первой недели сентября (а лучше раньше) определиться с потенциальным научным руководителем из списка приведенного на сайте программы. Научные руководители не из списка приветствуются (при наличии согласования с руководством программы).
  3. В прошедшую субботу (24.06.2017 ) в 123ГК МФТИ прошло вручение грамот и призов победителям и призерам творческого конкурса среди студентов 1-го курса.
    По результатам голосования преподавателей, участников и зрителей конкурса, первое и второе место поделили  работы Екатерины Сажиной «Генерация музыки с помощью квантового преобразования Фурье» и «демон Максвелла» Кузнецова Николая и Марченко Артемия. Третье место заняла Лилия Мусина с видеороликом «Как сделать квантовый бит?».
  4. В апреле  (29.04.17) на радиостанции "Говорит Москва" в программе "Ученый совет" состоялся эфир по теме "Необычные эффекты, наблюдаемые в квантовом мире", гость программы - Лесовик Гордей Борисович. Прослушать аудиозапись эфира можно на сайте радиостанции (прямая ссылка). Выступление Гордея Борисовича начинается с 7 минуты.

Расписание на весенний семестр 2016/17 года

  1. Понедельник, 15:30, 532 ГК - Введение в квантовую информатику (Федичкин Л.Е.);
  2. Понедельник, 17:05, 532 ГК - Введение в квантовую криптографию (Кронберг Д.А);
  3. Понедельник, 18:30, 532 ГК - Математический аппарат теоретической физики (Белоусов Ю.М., Федичкин Л.Е., Суслов М.В.);

Посещение лекций свободное, приглашаются все желающие! Занятия по математическому аппарату теоретической физики нацелены на студентов 1 курса. Занятия по квантовой информатике и криптографии являются обязательными для студентов 2 и 3 курсов, выбравших наше направление в качестве базы.

Описание программы

Фундаментальные проблемы физики квантовых технологий – что это такое?

Самым знаменитым объектом, относящимся к квантовым технологиям, является, конечно, квантовый компьютер (KK) (хотя, благодаря президенту, и квантовая телепортация в 2016-м году подтянулась :) ). Создание КК позволит решать задачи недоступные обычному компьютеру в принципе. Самая известная задача такого рода – это факторизация больших чисел. Экспоненциальная сложность решения этой задачи лежит в основе распространенного протокола шифрования RSA. На квантовом компьютере, используя алгоритм Шора, такая задача решается за полиномиальное время. Таким образом, не только знаменитые русские хакеры, но и любой другой при наличии КК может запросто взломать самую распространенную систему шифрования (хотя сейчас эту возможность многие криптографы уже учли). Именно этот факт потряс научный и околокомпьютерный мир в 90-е годы и вызвал бурный интерес к теме квантовых компьютеров и всему, что с ней связано. Помимо десятка квантовых центров, открытых по всему миру, а именно: в Австрии, Финляндии, Швейцарии, Канаде и других странах; этой темой (в частности, разработкой новых алгоритмов и реализацией уже известных протоколов в реальных устройствах) активно занимаются и за пределами этих центров.

В чем фокус с алгоритмом Шора? Сам Шор, когда его спрашивали, какое свойство квантовой механики (КМ) позволяет это сделать, отвечал: "дуализм волна-частица" ("корпускулярно-волновой дуализм"). Другой ресурс, позволяющий делать вещи, невозможные в классике, это квантовая запутанность (иначе сцепленность). Запутанность позволяет, например, осуществить квантовую телепортацию, только не материальной частицы, а ее состояния. Поскольку элементарные частицы (по квантовой теории) в принципе все идентичны, то частицы в одинаковом состоянии это одно и то же, и мы, передав состояние, порождаем как бы такую же частицу (но все же без потока массы и энергии!).

Запутанность также позволяет реализовать один из протоколов шифрования, который уже был продемонстрирован на практике – осуществлялась передача квантово-защищенных данных в Швейцарии.

Таким образом, против квантового взлома появилась квантовая защита. Считается, что она абсолютна. Но так ли это? Интересно было бы выяснить… Все эти вопросы затрагивают фундаментальные проблемы – интерпретацию квантовой механики, взаимосвязь квантового мира и классического, и как в конечном счете КМ может описать наш повседневный мир. Их количественное и экспериментальное изучение стало возможно с появлением неравенств Белла (НБ). Нарушение этих неравенств свидетельствовало бы о справедливости квантовой теории. Не так давно в Делфте поставили впечатляющий эксперимент, показавший нарушение НБ на расстоянии в километр. Возможно, аналогичный эксперимент, но для корреляций по времени (неравенства Леггетта), будет поставлен и в рамках нашей программы обучения.

Фундаментальный вопрос, на который пока нет ответа – в чем причина квантовой вероятностности и как природа выбирает один из вариантов поведения. Академик и Нобелевский лауреат В.Л. Гинзбург считал это одной из трех великих проблем современной физики (см. Нобелевскую лекцию В.Л. Гинзбурга ""Физический минимум" – какие проблемы физики и астрофизики представляются особенно важными и интересными в начале XXI века?").

Многомировая интерпретация квантовой механики (см. видеоматериал с Александром Львовским на ПостНауке) дает один из вариантов ответа на данный вопрос – никак не выбирает – все квантовые копии нашего мира существуют параллельно". Однако многие не согласны с таким подходом. Опять же интересно, что от ответов на подобные вопросы зависят весьма прагматичные вещи – например, идеален ли квантовый генератор случайных чисел (разработкой и изготовлением которого сейчас многие занимаются)?

Еще одной великой проблемой Гинзбург считал вопрос о стреле времени и Втором законе термодинамики. Замечательно, что с этой проблемой как раз произошли большие сдвиги. Недавно нашей группой была сформулирована квантовая Н-теорема, и было доказано, что в квантовом мире даже для энергетически изолированной системы закон роста энтропии – не закон, а всего лишь правило, из которого бывают исключения! Энтропия может убывать, и условия, при которых это происходит, можно описать как наличие в резервуаре демона Максвелла. Соответственно, многое стало понятно и по части стрелы времени. В квантовом мире эволюция может развиваться, так сказать, "вспять", но при совершенно особых условия. Во всех этих темах многое еще предстоит выяснить теоретически, и еще больше вопросов экспериментальных. В частности, остаются нерешенными важные теоретические вопросы, относящиеся к квантовой теории информации, касающиеся квантовых каналов. Одно из экспериментальных направлений по этой тематике– конструирование эффективных квантовых холодильников и двигателей ("вечного двигателя второго рода"). В таких конструкциях важна нелокальность – область, где будет нарушаться второй закон, будет пространственно отделена от локации демона (в объеме, заключающем в себя и систему и демона, второй закон выполняется).

Третьей великой проблемой Гинзбург считал "Вопрос о редукции живого к неживому", т.е. вопрос о возможности объяснить происхождение жизни и мышление на основе одной физики. Ну, буквально эта тема не совсем относится к нашей специализации, но квантовые процессы в живых организмах – это очень интересно. Например, как выясняется, глаз человека может воспринимать одиночные фотоны. Правда в мозг сигнал доходит, только если фотонов несколько. При наличии хорошего генератора фотонов по запросу (этим занимаются в Лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ) этот вопрос можно и нужно изучить подробнее.

Почти весь спектр описанных проблем и многие другие будут затронуты в нашей образовательной программе и в предложенных темах для дипломных работ (в том числе связанные с более "традиционными" квантовыми эффектами – размерное квантование, резонансное туннелирование, дискретность заряда, различные лазерные генерации и т.д.).

Более подробное введение можно найти в первой главе книги Нильсена М.А., Чанга И.Л. "Квантовые вычисления и квантовая информация".

Навигация:

Контакты

141700, Московская облаcть,
г. Долгопрудный,
Институтский пер., 9.
+7 (495) 408-45-54
info@mipt.ru

ЗФТШ

Заочное отделение:
+7 (495) 408-51-45
Очное отделение:
+7 (499) 755-55-80

Магистратура

+7 (495) 408-48-00
+7 (906) 715-44-49
magistr@mipt.ru