Фундаментальные проблемы физики квантовых технологий - ФОПФ МФТИ

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. В весеннем семестре 2017 года будет организован конкурс работ студентов в рамках проектной деятельности. Занявшим три первых места будут вручены призы. В составе жюри будут представлены как сотрудники деканата, так и представители базовых кафедр и образовательных программ. Результаты конкурса будут учитываться при распределении по специальностям. Условия конкурса: форма представления должна позволить жюри оценить суть работы. Это может быть реферат на заинтересовавшую студентов тему, даже научная работа, если таковая случится, эксперимент, научный или демонстрационный, мультфильм на научную или научно-популярную тему. Да хоть хорошая шутка для КВН (с научным подтекстом). :) Проявите себя как творческие и активные личности! Как пример приведем видео, где человек представил 120 собственных мод оператора Лапласа в Новогодней елочке. Подача текстов на конкурс продлится до 11 мая 2017 года, если необходима личная презентация практического устройства, то презентовать его можно будет 15 мая. Подведение итогов - тогда же, 15 мая.
  2. В прошлую субботу (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