Законы квантовой физики: верую, ибо абсурдно!

«Квантовая запутанность»: одно из самых загадочных свойств материи. Félix Bussières/Université de Genève

Квантовый мир управляется иными законами, нежели мир привычной нам ньютоновской физики, в котором яблоко, если оно висит вверху, обязательно потом упадет вниз. В мире квантов это яблоко может упасть вверх, и вообще в нем, вопреки утверждениям Ломоносова и Лавуазье, нечто может появляться из ничего. Так, скорее всего, и возникла 13 с лишним миллиардов лет назад наша вселенная.

Так или иначе, мир стоит на пороге второй квантовой революции, и нам всем самое время в силу своих возможностей ознакомиться с законами квантового мира, по сравнению с которыми мир Алисы в Зазеркалье выглядит скучным семинаром на тему рационального целеполагания. Ведь все, абсолютно все, что существует вокруг нас, — Вы, я, воздух, которым мы дышим, листья на деревьях, мой велосипед, Ваша собака, планета Юпитер или экран компьютера, на котором Вы каждое утро читаете новости от SWI Swissinfo — состоит из молекул. Они, в свою очередь, суть совокупности атомов, которые сами являются сгустками протонов, нейтронов и электронов. И, стоит углубиться в просторы микромира, как мы увидим странную вещь: часть вполне может вести себя не так, как ведет себя целое.

Фотон, например, способен находиться в нескольких местах одновременно; кроме того, эта частица, похоже, способна передавать информацию из одной точки пространства в другую быстрее скорости света. И даже совершать телепортацию. Этому есть уже и свое объяснение: два фотона, которые коммуницируют быстрее скорости света, например, условно говоря, одновременно совершают некие действия в ответ на одну команду, находясь в миллиардах световых лет друг от друга, могут быть на самом деле не двумя фотонами, а одним и тем же, просто увиденным с разных сторон, словно это рыба в аквариуме, на которую вы смотрите с одновременно длинной и короткой стороны этого аквариума.

«Впечатляющая сила человеческого интеллекта состоит в способности наблюдать за природой и описывать свои наблюдения математическими уравнениями». Virtualphoto

Но, так или иначе, следует, видимо, согласиться с Нильсом Бором, лауреатом Нобелевской премии по физике 1922 года, заядлым футбольным вратарем и человеком, заложившим основы квантовой теории: «Если квантовая теория не шокирует Вас, то это потому, что Вы ее еще не поняли». Но тут возникает несколько законных вопросов.

Никто никогда не видел электрона, тогда откуда мы знаем о его существовании?

«Впечатляющая сила человеческого интеллекта состоит в способности наблюдать за природой и описывать свои наблюдения математическими уравнениями», — говорит швейцарский физик из Женевы Николя Гизин, тоже заядлый, но хоккеист, президент Швейцарской квантовой комиссии и автор популярных книг на тему квантовых технологий.

Взгляд в историю: в конце 19 века физики были убеждены, что они уже раскрыли все последние секреты материи и никакого прогресса они в этой области больше они не ждали. Тем не менее все еще существовали явления, которые классическая физика объяснить не могла. Например, она не могла объяснить, как и почему меняется цвет предмета при его нагревании. Так, нагретый над пламенем паяльной лампы брусок металла обычно меняет свой цвет с красного на желтый, затем на белый, после чего он должен был бы излучать свет ультрафиолетового диапазона, невидимого нашим глазам. Но тогда и брусок металла должен был бы стать невидимым. Но на самом деле этого никогда не происходит, потому что на самом деле даже очень горячая материя излучает гораздо меньше ультрафиолета, чем предсказывала классическая теория.

Именно эта аномалия и навела великого немца Макса Планка, лауреата Нобелевской премии по физике 1918 года, заядлого, но пианиста, профессора Берлинского университета, на мысль о теории, которая объясняла бы поведение бесконечно малых частиц материи. В изумлении протирая глаза и очень надеясь ошибиться, Макс Планк вывел свои уравнения и представил в 1900 году гипотезу о том, что энергия (в свет — это форма энергии) излучается не непрерывно, а в виде небольших порций, которые он назвал квантами. Это примерно как вода, которая на самом деле не течет непрерывным потоком, а изливается каплями. Каждая из капель нам не видна, но в их сумме вполне можно утонуть. Или заварить чай.

Альберт Эйнштейн, лауреат Нобелевской премии по физике в 1921 году, заядлый, но скрипач, одно время сотрудник Федерального патентного бюро в Берне, ухватился за это открытие и в 1905 году предложил свою так называемую теорию фотоэлектрического эффекта. Она предположил, что свет — это не волна, как считалось ранее, а сгусток частиц, квантов, которые с тех пор называются фотонами.

Так что же такое свет?

Единая волна или набор частиц? И то, и другое сразу. Или ни то, ни другое. Второе поколение физиков 20-го века (Нильс Бор, Луи де Бройль, Поль Дирак, Эрвин Шредингер, Вольфганг Паули и Вернер Гейзенберг, все лауреаты Нобелевской премии), доказали, что фотоны, электроны и другие частицы на самом деле ведут себя одновременно и как мельчайшие зерна материи, и как волны. Все это заставило Вернера Гейзенберга спросить, но возможно ли, чтобы природа была такой абсурдной?

Чтобы продемонстрировать, что квантовый мир основан всего лишь на сумме вероятностей, Эрвин Шредингер и предложил свой знаменитый мысленный эксперимент с кошкой. Животное заперто в непрозрачном ящике, оно может быть и мертвым, и живым. Чтобы узнать фактическое состояние животного, ящик нужно открыть, но до того момента животное может быть и мертвым, и живым одновременно. Равно как и квантовый компьютер, который действует не при помощи нулей и единиц (есть ток, нет тока), но еще и при помощи третьего состояния (суперпозиции), в рамках которого ток одновременно и течет, и не течет. И только наблюдатель способен изменить это состояние, сделав вывод о том, в каком состоянии находится процесс переноса электрической энергии.

Лидеры мировой физики на 5. Сольвеевском конгрессе в Брюсселе в 1927 году. Это был год знаменитой дискуссии между Альбертом Эйнштейном (в центре) и Нильсом Бором (второй ряд, крайний справа). В первом ряду (второй слева) Вы можете видеть Макса Планка, пионера квантовой физики, а рядом с ним Марию Кюри. Крайний слева в третьем ряду – швейцарец Огюст Пиккар, отец Жака и дед Бертрана. domaine public

И Макс Планк, и Альберт Эйнштейн, и Эрвин Шредингер пришли в квантовую физику только для того, чтобы продемонстрировать все ее недостатки. Однако в конце концов все они убедились в том, что абсурдность необязательно противоречит законам природы. Потому что «абсурд» есть все-таки вывод в целом ограниченного человеческого разума. Альберт Эйнштейн, тем не менее, до самого конца относился к квантовой теории со скепсисом, поскольку она, основанная на вероятностях и статистике, была, на его вкус, слишком произвольна. «Бог не играет в кости» — этот знаменитый тезис он сформулировал в разговоре с Нильсом Бором в 1927 году.

Планк против Эйнштейна: кто был прав и кто совершил первую квантовую революцию?

Первую квантовую революцию совершил Планк, а после него – Нильс Бор с учениками, создавшими так называемую «копенгагенскую школу». Какой бы запутанной она ни казалась, какой бы неудобной она ни была для студентов-первокурсников, пока квантовая теория вполне связно и логично объясняет многие вещи, и еще никому не удавалось подловить ее на критических ошибках.

Именно она позволила понять, как устроены атомы и как они образуют молекулы, что открыло человечеству возможность добиться впечатляющих достижений в области химии и биологии. И именно понимание квантовых механизмов позволило нам создать лазеры, радиоприемники, телевизоры, компьютеры и мобильные телефоны. Фактически все эти объекты, появившиеся во второй половине 20-го века, уже являются приборами на основе квантовых технологий.

«Телепортируй меня, Скотти»!

В 2022 году Нобелевская премия по физике вновь была присуждена физикам-теоретикам, работающим в квантовой области. Ален Аспект, Джон Ф. Клаузер и Антон Цайлингер внесли, по мнению Нобелевского комитета, новое понимание в то, что известно как «квантовая запутанность». Мы уже немного упоминали о ней, говоря о рыбе в аквариуме. На самом деле это одно из самых загадочных свойств материи – так называемое «квантовомеханическое явление», при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми, даже если эти объекты разнесены в пространстве за пределы любых известных взаимодействий (слабого, сильного, электромагнитного, гравитационного).

«Это явление остается абсолютной загадкой, потому что все это выглядит так, как будто эти частицы смогли найти способ связаться друг с другом, находясь вне пространства-времени», — говорит Николя Гизин. То есть мы стоим на пороге технологий телепортации, и знаменитое восклицание из фильмов «Звездный путь» «Beam me up, Scotty, there’s no intelligent life [down] here» («Телепортируй меня отсюда, Скотти, тут нет разумной жизни») перестанет быть фантастикой? Похоже на то. Так или иначе, за последние двадцать лет перед нами все более очевидным способом разворачивается т.н. вторая квантовая революция, которая позволит нам манипулировать уже не потоками электронов или фотонов, а каждой такой частицей по отдельности.

Квантовая криптография и другие инженерные решения уже вошли в нашу повседневную жизнь, но настоящим Священным Граалем остается квантовый компьютер, который теоретически будет наделен вычислительной мощностью, недоступной для обычных машин. Он позволит нам моделировать новые молекулы для новых лекарств и создавать новые технологические материалы, оптимизировать электрические распределительные сети, создать суперэффективные солнечные элементы и понять наконец механизм фотосинтеза.

А когда квантовый компьютер поступит в продажу?

Скорее всего, никогда, поскольку технические проблемы, связанные с созданием такой машины, на данный момент и на ближайшую перспективу непреодолимы. В квантовом процессоре информация хранится в так называемых кубитах. По сути, это та самая живая-мертвая кошка Шредингера или монетка, которая зависла в воздухе или не спешит упасть орлом или решкой вверх. Понятно, что такое положение очень нестабильно, поддерживать его очень тяжело, пока такие компьютеры генерируют слишком много ошибок. Чтобы данная машина функционировала нормально, ее еще надо было бы полностью защитить от любых внешних воздействий: вибраций, электрических или магнитных полей, а также источников света.

Cкорее всего, квантовый компьютер будет иметь форму не десктопа или ноутбука, а некоего центрального квантового процессора, установленного в специальном помещении, доступ к которому может быть предоставлен удаленно через Интернет. Google

Такой компьютер должен был бы быть помещен в суперморозильник, поскольку его идеальная рабочая температура близка к абсолютному нулю (-273°C). Только в этом случае монетка может спокойно висеть в воздухе, и только в этом случае такую «суперпозицию» можно было бы использовать для вычислений. Тем не менее, даже несмотря на все эти трудности, ведущие страны мира инвестируют сейчас в квантовые исследования и разработки миллиарды долларов. Тема эта очень модная. Частные игроки (IBM, Intel, Honeywell и т. д.) и даже онлайн-сервисы (Amazon, Alibaba) также инвестируют в такие технологии.

Поэтому, скорее всего, квантовый компьютер будет иметь форму не десктопа или ноутбука, а некоего центрального квантового процессора, установленного в специальном помещении, доступ к которому может быть предоставлен удаленно через Интернет. Вычислительная мощность таких машин будет бесполезна для большинства наших повседневных задач, таких как набор текста, отправка электронного письма, редактирование фотографий, создание видео или просмотр веб-страниц нашего портала. А вот в сфере решения сложных и специфических задач и проблем без таких вычислительных монстров, похоже, уже не обойтись.