Квантовая физика

Квантовые технологии ворвались в нашу жизнь. Каждый день средства массовой информации приносят новости о квантовых компьютерах, квантовой телепортации, квантовой криптографии, квантовом интернете и т.д. Прогнозируется взрывной рост использования устройств на квантовых технологиях в течение следующих 10-15 лет. Таким образом, в ближайшей перспективе понадобятся специалисты в области квантовой инженерии.

Достаточно очевидно, что будущих квантовых инженеров целесообразнее всего начинать готовить в школе. Но подготовка таких специалистов невозможна без фундаментального понимания основ квантовой физики, что делает эту задачу почти неразрешимой.  Квантовая физика традиционно считается одним из самых сложных предметов в программах физических факультетов университетов. Как правило, это объясняют двумя особенностями современного состояния этого раздела физики:

1. большой сложностью математического аппарата квантовой теории;
2. отсутствием «наглядной» интерпретации (онтологии) понятий квантовой физики.

Именно поэтому курс квантовой теории обычно дается на 3-4 курсе университетской программы. Нисколько не удивительно, что на настоящий момент не существует примеров преподавания основ квантовой физики для школьников, которые давали бы фундаментальные знания, достаточные для понимания принципов работы квантовых устройств. Отсутствие подобных программ негативно сказывается и на подготовке специалистов в таких областях, как нанотехнологии, новые материалы и атомные технологии, в которых понимание основ квантовой физики также является необходимым.

В данном проекте используется принципиально новая концепция обучения школьников квантовой физике, которая делает вполне разрешимой задачу преподавания основ квантовой физики уже со старших классов школы.   

Проведенный в рамках проекта первый экспериментальный интенсив по квантовой физике для школьников (14 – 18 октября 2019 года) показал, что освоение этой темы сильно затруднено из-за недостаточной математической подготовки участников. Особенно это касается комплексных чисел. В связи с этим возникла необходимость адаптации разработанного проекта.

При адаптации были приняты во внимание следующие соображения:

• Снижение требований к базовым знаниям по математике. В частности, исключение требования по владению комплексными числами;
• Направленность проекта на решение конкретной технологической задачи, конкретно на разработку протокола квантовой связи;
• Отсутствие возможности доступа школьников к реальным компонентам технологии квантовой связи;
• Проведение мероприятий проекта в смешанной очно-дистанционной форме.

Основным мероприятием проекта является проведение 3-х дневного интенсива в очно-дистанционной форме.  Участвуют в интенсиве команды школьников по 5-10 человек под руководством наставников. При этом 2-3 команды собираются на площадке Технопарка Новосибирского Академгородка, остальные команды участвуют дистанционно. В качестве технического средства разработки используется квантовый симулятор “Virtual Lab” (Рис. 1).

https://lab.quantumflytrap.com/lab

Рис. 1. Вид квантового симулятора “Virtual Lab”

Постановка проектной задачи на интенсив

Квантовая криптография — метод защиты коммуникаций, основанный на принципах квантовой физики. В отличие от традиционной криптографии, которая использует математические методы, чтобы обеспечить секретность информации, квантовая криптография сосредоточена на физике, рассматривая случаи, когда информация переносится с помощью объектов квантовой механики. Процесс отправки и приёма информации всегда выполняется физическими средствами, например, при помощи электронов в электрическом токе, или фотонов в линиях волоконно-оптической связи. Подслушивание может рассматриваться как изменение определённых параметров физических объектов — в данном случае, переносчиков информации.

Технология квантовой криптографии опирается на принципиальную неопределённость поведения квантовой системы, выраженную в принципе неопределённости Гейзенберга — невозможно одновременно получить координаты и импульс частицы, невозможно измерить один параметр фотона, не исказив другой.

Используя квантовые явления, можно спроектировать и создать такую систему связи, которая всегда может обнаруживать подслушивание. Это обеспечивается тем, что попытка измерения взаимосвязанных параметров в квантовой системе вносит в неё нарушения, разрушая исходные сигналы, а значит, по уровню шума в канале легитимные пользователи могут распознать степень активности перехватчика.

Проектная задача для каждой команды: разработка протокола квантовой связи с использованием одиночных фотонов.