|
Путь от квантовой науки к квантовой технологии
|
|
|
|
Возможно, вы еще не осознали этого, но Организация Объединенных Наций объявила 2025 год Международным годом квантовой науки и техники. Тем не менее, это действительно повод для празднования, не в последнюю очередь потому, что электронное устройство, которое вы используете для чтения этой статьи, зависит от некоторых передовых применений квантовых явлений.
|
|
|
|
Этот год был выбран потому, что в 2025 году исполняется сто лет со дня публикации первых статей по квантовой механике, также известной как квантовая физика.
|
|
|
|
В этих исследовательских работах были определены научные принципы, описывающие движение и взаимодействие таких элементарных частиц, как фотоны и электроны, — частиц, которые составляют все, что мы в настоящее время знаем о материи.
|
|
|
|
Столетие спустя технологии, основанные на квантовой механике, распространены повсеместно.
|
|
|
|
Такие устройства, как мобильные телефоны, основаны на передовых приложениях теории квантовой электродинамики, которая описывает взаимодействия между веществом и электромагнитным излучением на уровне отдельных атомов.
|
|
|
|
|
|
|
Иллюзия простоты и определенности
|
|
|
|
Для конечного пользователя электронные устройства представляют собой вершину современных технологий.
|
|
|
|
Ваш мобильный телефон - это машина, которая, кажется, способна делать практически все, что угодно, с очевидной безошибочностью.
|
|
|
|
В нем используется технология, к которой вам не нужен физический доступ, кроме кнопки для включения и выключения, сенсорного экрана, динамика и микрофона для взаимодействия с ним и разъема для зарядки аккумулятора.
|
|
|
|
Иллюзия простоты исчезает, когда речь заходит о понимании того, как эти устройства работают на атомарном уровне.
|
|
|
|
В квантовой механике слово "неопределенность" имеет точное техническое значение, которое представляет собой как вызов, так и возможность для разработки новых технологий.
|
|
|
|
Привычная определенность нашего повседневного опыта — например, ожидаемые действия с сенсорным экраном — возникают в результате коллективного поведения, связанного со сложностью и неопределенностью квантовой механики.
|
|
|
|
В основе квантовой механики лежит принцип неопределенности.
|
|
|
|
Существуют некоторые фундаментальные величины, такие как положение и импульс частицы, которые мы не можем одновременно точно измерить.
|
|
|
|
Например, если мы знаем точное местоположение электрона, мы ничего не можем знать о его импульсе. И наоборот, если мы точно знаем его импульс, мы не можем сделать никакого определенного заявления о том, где он находится.
|
|
|
|
Принцип неопределенности накладывает ограничения на точность одновременных измерений некоторых физических величин.
|
|
|
|
Никакие экспериментальные стратегии, какими бы хитроумными они ни были, не могут обойти это фундаментальное правило природы.
|
|
|
|
Неопределенность не является препятствием для прогресса
|
|
|
|
В квантовой механике определенность заменяется вероятностью.
|
|
|
|
Мы можем говорить только о вероятности того, что измерения таких свойств, как положение и импульс, будут получены в любой момент времени.
|
|
|
|
Все, что мы можем знать о квантовомеханической системе, содержится в математическом объекте, называемом волновой функцией, который используется для вычисления этих вероятностей с использованием некоторых четко определенных правил.
|
|
|
|
Сейчас мы очень хорошо разбираемся в получении этих волновых функций и используем правила квантовой механики для предсказания результатов физических измерений.
|
|
|
|
Квантовая электродинамика, например, была проверена в экспериментах с точностью более одной части из 1 000 000 000 000.
|
|
|
|
Это самая точная физическая теория, которую мы когда-либо разрабатывали.
|
|
|
|
Но среди физиков и философов существуют две различные точки зрения на роль квантовой механики как научной теории.
|
|
|
|
Есть те, кто рассматривает квантовую механику как чисто математический процесс предсказания и интерпретации физических измерений.
|
|
|
|
Есть и другие, которые настаивают на том, что она должна раскрывать саму природу физической реальности.
|
|
|
|
Вторая группа утверждает, что сохраняющееся отсутствие консенсуса по поводу интерпретации квантовой механики показывает нам, что это неполная физическая теория, несмотря на ее неизменную предсказательную силу.
|
|
Следующие 100 лет
|
|
|
|
Одно из самых удивительных следствий их математической структуры предполагает, что квантовые системы могут быть использованы для создания новых типов информационных технологий.
|
|
|
|
Теоретическая мощность этих так называемых квантовых компьютеров намного превосходит возможности самых мощных суперкомпьютеров современности.
|
|
|
|
Когда эта идея впервые была распространена сорок лет назад, казалось фантастическим, что огромные технические трудности, связанные с манипулированием и измерением квантовых систем, могут быть преодолены при разработке работающего квантового компьютера.
|
|
|
|
Сегодня физический факультет Мельбурнского университета руководит аспирантами, разрабатывающими вычислительные алгоритмы, которые выполняются на первом поколении функциональных квантовых компьютеров в тесном сотрудничестве с IBM.
|
|
|
|
Наши исследователи также проводят экспериментальные исследования по разработке следующего поколения аппаратных средств для квантовых вычислений и устройств, которые используют квантовую механику для обнаружения крошечных электромагнитных полей.
|
|
|
|
Как и во многих проектах в физике, проблемы рано или поздно уступают место прогрессу.
|
|
|
|
Иногда этот прогресс занимает десятилетия и требует участия больших, совместных, междисциплинарных и международных команд исследователей.
|
|
|
|
В школе физики в Мельбурне когда-то располагался CSIRAC, первый в Австралии цифровой компьютер.
|
|
|
|
Семьдесят лет спустя мы остаемся на переднем крае вычислительной физики, возглавляя исследования в области потенциальных применений квантовых компьютеров.
|
|
|
|
Это может сделать возможной разработку новых фармацевтических препаратов и открытие высокотемпературных сверхпроводящих материалов с использованием первых принципов вычислительной реализации квантовой механики.
|
|
|
|
Поиск темной материи обещает расширить наше понимание субатомных частиц во Вселенной.
|
|
|
|
Возможно, это даже приведет к формулировке неуловимой "теории всего", которая полностью согласует теории квантовой механики и общей теории относительности.
|
|
|
|
То, что мы достигли такого прогресса в первое столетие существования квантовой механики, несомненно, заслуживает празднования.
|
|
|
|
Источник
|
