Настоящая наука

Леонид, Вы выступали на ICMNE, расскажите о содержании Вашего доклада на конференции?

Зав. лаб. лабораторией квантовой электронной кинетики металлических наноструктур ИПТМ РАН Геннадий Михайлович Михайлов (слева)рассказывает о проводимых в его лаборатории экспериментах с гибридными наноструктурами - основой для создания будущего спинового тразистора.

Прежде всего, хочу поблагодарить организаторов конференции ICMNE-2009 за оказанную честь и предоставление мне возможности приехать и выступить c приглашённым докладом. Свой доклад я посвятил квантовым измерениям открытых систем.
Чтобы хотя бы вкратце рассказать, в чём же тут проблема, вначале следует упомянуть, что же такое квантовое измерение и что такое открытая система. Хочу предупредить, что у неподготовленного слушателя при попытке осмыслить квантовые явления обычно возникает следующая трудность. Когда мы узнаём что-то новое, то, как правило, стараемся подстроить новые представления под рамки уже накопленного повседневного опыта. Это хороший и плодотворный подход, но в случае квантовых явлений так поступать не стоит, потому что житейская логика здесь, увы, совсем не работает. Это следствие того, что окружение, в котором мы набираемся опыта, по сути классическое, там не встречаются квантовая суперпозиция, квантовая запутанность, квантовый коллапс состояния и тому подобные парадоксальные для классического мира явления, которые составляют сердцевину квантовой физики. Представьте, что средневековому человеку покажут телевизионный пульт. Скорее всего, на основании своего феодального опыта он интерпретирует их работу, как колдовство или чудо, и будет неправ. А ведь квантовые явления отличаются от привычного нам видения мира гораздо больше, чем современный мобильный телефон от средневековой прялки. Поэтому в квантовой механике следует в ещё более значительной мере опираться на науку, а не на свою интуицию, чтобы не попасть впросак.
Квантовые системы ведут себя не так классические, в частности, потому что их измерение само по себе представляет непростую проблему. Представим себе классический объект, например, стенные часы и их воображаемый квантовый аналог - микроскопические квантовые часы. Существует множество способов измерить состояние классического объекта (узнать время), никоим образом не нарушив естественный ход часов (классическую эволюцию). Например, можно использовать скрытую камеру. В квантовом случае в принципе невозможно измерить неизвестное квантовое состояние, не изменив его коренным образом. По этой же причине неизвестные квантовые состояния невозможно копировать. Тем не менее, экспериментаторы с большими ухищрениями могут измерять состояния квантовых систем.
Открытой системой называют систему, находящуюся во взаимодействии с внешним окружением. Измерения открытых систем в настоящее время представляют трудность. Раньше в основном рассматривались и проводились измерения практически изолированных систем. Гораздо удобнее измерять систему, когда она идеализирована, представляет собой того самого "сферического коня в вакууме".
В настоящее время, когда мы изучаем более сложные квантовые системы, например, квантовые компьютеры, где будут тысячи, а, может, и миллионы квантовых элементов, то сталкиваемся с тем, что они все будут взаимодействовать между собой, влиять друг на друга. В таких системах измерить состояние даже отдельного квантового бита, который теперь является не изолированной, а открытой системой, очень трудно.

То есть, измерение свободных систем это первые шаги к квантовому компьютеру?

    Не первые, но, безусловно, необходимые шаги. Измерение открытых систем это проблема, с которой раньше обычно не сталкивались, так как для исследовательских работ выбирали изолированные объекты. Но если начать строить квантовый компьютер, то указанная проблема неизбежно возникнет, и ее необходимо решать. Мой доклад был посвящен анализу этих измерений, анализу тех проблем, которые возникают при квантовом измерении открытых систем - взаимодействующих между собой, с внешним окружением, с фононами, фотонами, другими шумами.

Были в этом направлении достигнуты успехи?

В нескольких работах, в том числе сделанных моими соавторами и мной, было показано, что квантовое измерение может быть проведено с намного большей точностью и чувствительностью. В частности, нами был получен неожиданный результат, обоснованный как аналитически, так и с помощью численного моделирования на обычном компьютере. Если измерять квантовый бит не напрямую, а через посредника - двухуровневую систему, то уровень ошибок измерения этого квантового бита, возникающий из-за взаимодействия измеряемого квантового бита с соседним, снижается на несколько порядков. То есть можно измерять непосредственно квантовую систему, а можно поставить перед ней буфер, и если в случае прямого измерения ошибка пропорциональна первой степени характерной величины взаимодействия квантового бита с соседями, то при измерении через посредника ошибка много меньше.

Какова практическая польза этой работы?

Когда компьютер квантовый считает, в конце концов необходимо измерить его состояние, чтобы получить результат работы программы. Также необходимо периодически считывать состояния некоторых квантовых битов во время работы, для того чтобы корректировать ошибки. Ошибка, возникающая от казалось бы малого взаимодействия квантового бита с соседями в случае прямого измерения могла бы тем не менее оказаться неприемлемой - наш компьютер попросту давал бы ошибочный результат почти всегда. Поэтому для получения приемлемого результата необходимо введение этих посредников. На первый взгляд кажется, что введение посредников ничего не дает; посредники точно такие же квантовые биты, точно также взаимодействуют между собой, поэтому этого результата никто не ожидал. Это неожиданное открытие, но, несомненно, очень интересное и полезное.

Что Вам, Леонид, запомнилось на выставке ICNME?

Конференция оказалась весьма представительной. Приехало более двух сотен участников. Выступали учёные из Бельгии, Белоруссии, США, Японии, Германии и других стран.
На конференции оказалось немало учёных, которые не принимают на веру стандартную трактовку квантовой механики и подвергают анализу основы теории. Например, шведский профессор Хренников не исключает возможность того, что при увеличении точности измерений в уравнении Шрёдингера могут появиться отклонения от настоящей квантовой динамики, что-то вроде малого шума, который так мал, что пока его не удается зарегистрировать. Профессор МГУ Ожигов рассказал о своих исследованиях конструктивной квантовой теории, которая, в отличие от стандартной унитарной квантовой механики, приводит к слабой декогерентности даже изолированных квантовых систем, если они сами по себе достаточно большие, и показал результаты моделирования квантовой динамики простых систем с помощью этого подхода.. Академик РАН Аристов и к.ф.-м.н. Никулов из Института Проблем Технологии Микроэлектроники РАН рассказывали о своих исследованиях макроскопических квантовых систем, например токовых состояний сверхпроводящих колец с переходами Джозефсона. В своём анализе они подвергали сомнению возможность использования и самого существования квантовых суперпозиций макроскопических квантовых состояний, подобных знаменитому коту Шрёдингера.
В. Вьюрков из Физико-Технологического Института РАН представил программный комплекс для квантового моделирования нанотранзисторов. Это очень сложная задача, хотя нанотранзисторы устроены очень просто.
Точно также, как в обычном полевом транзисторе у нанотранзистора есть три электрода: затвор, сток и исток, и полупроводниковые и диэлектрические материалы прямоугольного сечения между ними. Но нанотранзистор очень маленький, расстояние между истоком и стоком в нём значительно меньше одного микрона, а чем меньше делается транзистор, тем сложнее его моделировать. В большом транзисторе можно пренебречь квантовыми эффектами, так как многие интересующие нас величины усредняются, большой размер всё сглаживает. Во многих случаях оправдано считать, что электроны в таком транзисторе ведут себя как классические заряженные частицы. Когда же транзисторы имеют размер меньше микрона, то надо решать систему квантовых дифференциальных уравнений во всех 3 измерениях, учитывая при этом пространственный заряд самих электронов. И описывать электрон не как классическую частицу, а как квантовую частицу-волну. Это очень интересный комплекс, созданный поистине титаническим усилиями его авторов.

Также очень порадовало то, что были учёные из Белоруссии, они там работают, ведут достойные исследования, не уступающие по уровню российским. Наука там не умерла, и это не может не радовать. Приятно, что хоть белорусские учёные и не имеют возможности приобретать дорогостоящее оборудование, тем не менее наука в Белоруссии теплится, и учёные занимаются исследованиями.