https://www.youtube.com/watch?v=6KJKKmDEYSk&t=21sЗі 100-річчям квантової механіки розпочинається нова революціяЕмілі Коновер, 20 травня 2025
5 фізиків обговорюють майбутнє квантових досліджень і технологійСто років тому на тихому скелястому острові німецький фізик Вернер Гайзенберґ допоміг започаткувати низку наукових розробок, які торкнулись майже всієї фізики.
Там Гайзенберґ розробив основи квантової механіки.
У той час квантова теорія була лише вільним зібранням ідей про особливості фізики в масштабі атомів.
У червні 1925 року 23-річний Гайзенберґ замкнувся на острові Гельголанд у пошуках полегшення від сильного нападу сінної лихоманки.
Через брак пилку в морському бризі острів, розташований за 60 кілометрів від узбережжя Німеччини, був цілющим притулком.
Це також було місце, вільне від відволікальних факторів, для роздумів над таємницями атомів.
Одного ранку Гайзенберга здійснив прорив.
«У мене було відчуття, що крізь поверхню атомних явищ я дивлюсь на дивно красиву середину, і я відчув майже запаморочення від думки, що тепер мені доведеться досліджувати це багатство математичних структур, які природа так щедро розкинула переді мною»,–розповідав він пізніше.
«Я був надто схвильований, щоб спати, тому, коли настав новий день, я вирушив до південного краю острова, де так давно мріяв вилізти на скелю, що виступала в море.
Тепер я зробив це без особливих труднощів і чекав сходу сонця».
Фізики зараз дивляться на світанок нової квантової ери.
Робота Гайзенберґа та його сучасників змінила розуміння матерії вченими та призвела до появи нових технологій, заснованих на цьому розумінні.
Сучасні дослідження—те, що деякі називають
другою квантовою революцією¹—передбачають новий рівень точного контролю над квантовими системами, включно з їхнім створенням з нуля та використанням за потреби.
Вчені підлаштовують квантові системи під свою волю, щоб просувати технології далі та розкривати таємниці Всесвіту.
Ця революція—колективні зусилля фізиків усього світу, які розширюють різні квантові рубежі.
Так само перша квантова революція не була одноосібним шоу.
Романтична та,
можливо, прикрашена розповідь² Гайзенберґа була лише невеликою частиною історії про народження квантової механіки.
Після повернення з Гельголанду Гайзенберґ обговорив свої ідеї з іншими фізиками, перш ніж опублікувати у липні того ж року відому своєю незбагненною статтю.
Пізніше фізики Макс Борн і Паскуаль Жордан кристалізували математичні розрахунки у статті, поданій у вересні, та в іншій, у співпраці з Гайзенберґом, у листопаді.
А фізик Ервін Шредінгер опублікував власну впливову квантову систему у 1926 році, яка виявилась математично еквівалентною роботі Гайзенберґа.
Ці та багато інших авторів
перетворили заплутану суміш квантових ефектів на цілісну математичну систему³.
Вплив квантової механіки на фізику важко переоцінити.
«Ця теорія… була досліджена, розроблена та застосована до неймовірної різноманітності явищ і представляє наше базове сучасне розуміння природи фізичної реальності»,—каже фізик Карло Ровеллі з Центру теоретичної фізики Університету Екс-Марсель у Франції.
«Вона пояснила явища, від основ хімії до кольору об'єктів, від процесів, що породжують світло сонця, до формування галактик».
Квантова механіка також лежить в основі незліченних технологій, включно з лазерами, транзисторами, що є невід'ємною частиною смартфонів та іншої мініатюрної електроніки, сонячними панелями, світлодіодами, МРТ [магнітно-резонансною томографією] та
атомними годинниками⁴, що роблять можливою GPS-навігацію.
Щоб розпочати цю другу квантову революцію, вчені повинні використати деякі з найцікавіших аспектів теорії: суперпозицію та заплутаність.
У квантовій механіці положення, швидкості та інші якості частинок описуються ймовірностями, а не дійсностями.
Це означає, що частинки можуть бути завислими в дивному чистилищі, відомому як суперпозиція.
Наприклад, частинка може мати шанс бути знайдена в одному місці або зовсім в іншому—ситуація, яку часто у розмовному стилі описують як перебування в двох місцях одночасно.
Гіпотетична кішка в суперпозиції живих і мертвих, відома як кішка Шредінгера, підкреслює абсолютну особливість цієї концепції.
Заплутаність—ще одна приголомшлива концепція, в якій долі двох частинок переплітаються, а їхні властивості корелюють таким чином, що неможливо в класичній фізиці.
Вимірювання однієї частинки в заплутаній парі миттєво показує стан іншої, навіть якщо вони розділені великою відстанню.
Коли фізики вдосконалюють свою здатність точно маніпулювати суперпозицією та заплутаністю, вони розробляють методи, необхідні для створення складних пристроїв, таких як квантові комп'ютери, які можуть дозволити нові типи обчислень, неможливі за допомогою стандартних класичних комп'ютерів.
Аналогічно, квантові сенсори починають забезпечувати нові типи вимірювань, а квантові комунікаційні мережі обіцяють безпечніші способи передачі інформації.
Ця революція також спонукає вчених наближатись до деяких великих таємниць квантової фізики, таких як те, чи існує фундаментальна межа масштабування квантових ефектів, і якщо так, то де пролягає межа між квантовою та класичною механікою.
І вони досліджують, як квантову механіку можна поєднати із загальною теорією відносності—теорією гравітації Айнштайна.
Видання Science News поспілкувалось з п'ятьма фізиками, які розширюють квантові межі, щоб отримати їхню думку про стан квантової науки.
Ці інтерв'ю були відредаговані та скорочені для ясності.
Чим більший об'єкт, тим важче йому зберігати квантові властивості.
Взаємодія з навколишнім середовищем може вирвати його крихку квантову силу та повернути його у повсякденну сферу.
Удосконалені методи ізоляції більших об'єктів дозволили дослідникам збільшувати масштаби — навіть до об'єктів, що межують з макроскопічними.
Деякі фізики вважають, що існує жорстка межа того, наскільки може зайти це збільшення; інші вважають, що воно може тривати нескінченно.
Фізик Івень Чу з ETH Zurich рухається у великій мірі.
У 2023 році Чу та його колеги помістили вібраційний сапфіровий кристал масою приблизно половини вії у
«котячий стан»⁵–суперпозицію, подібну до кота Шредінгера.
Це
наймасивніший котячий стан⁶, коли-небудь створений.
Тут суперпозиція полягає в русі атомів кристалів; це так, ніби вони рухаються у двох напрямках одночасно.
SN: Що вас зараз захоплює?Чу: Ми досліджуємо нові фізичні платформи для створення квантових сенсорів і квантових процесорів.
Я з нетерпінням чекаю використання цих систем для перевірки деяких фундаментальних фізичних норм.
Квантова механіка чудово працює для багатьох речей, але ми ще так багато чого не розуміємо.
SN: Які деякі з цих питань?Чу: Чи застосовується квантова механіка до макроскопічних об'єктів у нашому повсякденному світі?
Це питання існує з ранніх днів квантової механіки.
Ми показали, що ці—можна назвати їх макроскопічними—кристали насправді можуть поводитись квантово-механічно.
Тож питання полягає в тому, наскільки далеко ми можемо зайти в цьому? Я не знаю, чи досягнемо ми коли-небудь рівня «кішки» у своїй кар'єрі.
(І, можливо, це не має бути кішка—це, мабуть, не дуже етично.)
Але щось справді складне та макроскопічне, якщо ми зможемо побачити квантово-механічну поведінку цього, я думаю, що це було б надзвичайно захопливо і відповіло б на це питання, яке існує вже так давно.
SN: Що ще ви плануєте робити з цими пристроями?Чу: Ми рухаємось до використання цих систем як детекторів для вимірювання гравітації чи інших сил.
Якби у вас була дуже слабка гравітаційна хвиля, яка вражає цей об'єкт, вона б збуджувала коливання.
І тоді, якби ми могли це виявити, то могли б сказати:
«О, щось пройшло повз, можливо, гравітаційна хвиля».
Ці пристрої використовувались б для виявлення
гравітаційних хвиль⁷ на набагато вищих частотах, ніж, скажімо, лазерна інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія.
Тестування квантової гравітаціїМасштабовані квантові пристрої, такі як Чу, також надають можливість перевірити, як квантова механіка взаємодіє із загальною теорією відносності.
Ці дві теорії несумісні одна з одною, і вирішення цього конфлікту очолює список нагальних проблем багатьох фізиків.
Влатко Ведрал з Оксфордського університету є одним із фізиків, які стоять за
пропозицією перевірити гравітацію на квантові ефекти⁸.
Тест вимагає створення суперпозиції з об'єктом з достатньою масою, щоб його гравітація тягнула інший об'єкт у суперпозиції.
Це може призвести до заплутання двох об'єктів виключно через їхню гравітаційну взаємодію.
Підтвердження або спростування цього ефекту показало б, чи є гравітація квантовою.
SN: Що такого захопливого в тестуванні квантової гравітації?Ведрал: Тестування квантової природи гравітації—це повністю відкрита проблема.
Я думаю, що протягом наступних п'яти-десяти років, щонайбільше, ми порушимо загальну теорію відносності.
Гравітація виявиться квантово-механічною—це моя ставка.
Але я знаю, що є деякі серйозні опоненти цієї точки зору.
Це вже говорить вам про те, що це надзвичайно цікавий експеримент, оскільки існують величезні розбіжності щодо того, чого очікувати.
SN: Як би ви провели цей тест?Ведрал: Ви берете два масивні об'єкти та поміщаєте кожен у суперпозицію, де вони знаходяться у двох різних станах, у двох місцях одночасно.
Якщо гравітація є квантово-механічною, кожен з цих станів гравітаційно зв'язується з кожним з інших станів.
Ви, по суті, матимете чотири взаємодії, що відбуваються одночасно.
Це було б моїм передбаченням, і це було б передбаченням квантової гравітації.
Однак деякі люди вважають, що гравітація змусить ці суперпозиції зруйнуватись та перейти в один остаточний стан.
І саме це має перевірити експеримент.
Для мене це, мабуть, найцікавіший експеримент у фізиці, тому що ми мали сто років величезних успіхів, як у квантовій механіці, так і в загальній теорії відносності.
Але тепер ми можемо перевірити, чи буде відхилення в області, де обидва дійсно мають значення.
SN: Що потрібно для цього?Ведрал: Тривають перегони; я думаю, що є три чи чотири команди, які намагаються реалізувати цю пропозицію.
Вам потрібен достатньо масивний об'єкт.
Грубі розрахунки показують нанограм.
Це дуже складний експеримент.
Термодинаміка стає квантовоюНе лише гравітацію поєднують з квантовою фізикою.
Так само відбувається і з
термодинамікою⁹, дисципліною, яка керує двигунами, теплом та ентропією, мірою безладу.
Вивчення квантової термодинаміки може запропонувати шляхи створення машин з підвищеною ефективністю шляхом використання квантових принципів.
Фізик Маркус Губер з Інституту квантової оптики та квантової інформації у Відні працює в цій галузі, а також над квантовою комунікацією.
Це техніка, яка використовує квантові правила для безпечного надсилання інформації, і вона вже демонструється поза межами лабораторій.
SN: Який поточний стан квантової фізики?Губер: Я надзвичайно захоплений питаннями, до яких ми можемо все більше і більше експериментально отримати доступ.
Однак я стурбований.
Люди усвідомили величезний комерційний потенціал квантових технологій.
І з цим визнанням приходять шахраї, перебільшені продавці та машина ажіотажу, яка шкодить фундаментальній науці та дослідженням.
І з цим визнанням приходить геополітичний аспект, де квантові технології та дослідження раптово вважаються такими, що відповідають інтересам національної безпеки.
Замість того, щоб вчені безперешкодно досліджували Всесвіт разом, воно починає ставити всі ці фундаментальні наукові питання під сумнів геополітичну перевагу.
SN: Які деякі з більш легітимних застосувань на горизонті?Губер: Багато легітимних застосувань заглушаються шумом.
По-перше, точні вимірювання будуть корисними: ми на межі створення точніших годинників, чутливіших датчиків.
Ці речі не отримують стільки галасу. Потім, звичайно, в квантовому зв'язку, з точки зору конфіденційності та безпеки даних, застосування набагато просунуті.
Ми маємо технологічні можливості для зашифрованого та безпечного зв'язку між будь-якими двома точками.
Звичайно, багато з цього вже можливо зробити класичними засобами.
Цей додатковий захист від дуже цілеспрямованих атак або від майбутніх квантових обчислювальних пристроїв.
SN: Які квантові експерименти ви з нетерпінням чекаєте в майбутньому?Губер: Одне з головних питань, яке у нас виникло, стосується фундаментальних
обмежень відліку часу¹⁰.
Існує ця стара ідея термодинамічної стріли часу, яка по суті говорить вам, що спосіб змусити годинник цокати—це збільшення ентропії Всесвіту.
З класичної точки зору, існує дуже точне співвідношення, яке показує, що чим точніший або точніший ви хочете зробити годинник, тим більше ентропії вам потрібно розсіювати.
Ми трохи розглянули теорію, й показали, що
квантові годинники можуть бути експоненціально ефективнішими¹¹.
Ми досліджували це як фундаментальне питання:
яка фундаментальна ціна того, щоб дозволити годиннику цокати?
Але відповідь також надихає мене на можливі експерименти, тому що це може бути корисним, якщо ми зможемо створити неймовірно енергоефективні годинники.
Квантова біологія на картіФізик Кларіс Айєлло прагне спонукати вчених серйозно ставитись до квантової біології. Ідея про те, що квантові ефекти важливі для живих організмів, була запропонована в кількох конкретних областях:
квантова механіка може грати
роль у фотосинтезі¹², а птахи можуть використовувати
квантовий компас¹³ для відчуття магнітних полів.
Але Айєлло з Інституту квантової біології в Лос-Анджелесі хоче вийти за рамки цих прикладів.
Вона захопилась впливом слабких магнітних полів, таких як земне.
Оскільки це поле настільки слабке, його вплив на живі організми може бути важко пояснити класичними засобами.
Але існує потенціал для пояснення цих ефектів за допомогою концепції, яка називається суперпозицією електронних спінів.
Квантова властивість спіну змушує електрон діяти як крихітний магніт.
Якщо орієнтація цього магніту знаходиться в суперпозиції напрямків, це може призвести до певних хімічних реакцій, чутливих до крихітних магнітних полів.
Айєлло починає з основ, і прагне показати важливість магнітного поля Землі для життя, перш ніж визначати причину.
Один з нещодавніх експериментів її команди показав, що
пуголовки, екрановані від магнітного поля Землі¹⁴, розвивались швидше.
SN: Що може спричинити ефекти магнітного поля в біології?Айєлло: Найбільш ймовірним поясненням є хімічна реакція, яка залежить від суперпозиції електронних спінів.
Якщо ефекти магнітного поля в біології пояснюються цим типом явища, то це означає, що суперпозиції електронних спінів виживають всередині клітин достатньо довго, щоб бути функціональними.
Чим менше поле, яке ви хочете відчути, тим довше ці суперпозиції електронних спінів повинні виживати з їхньою квантовістю.
Наприклад, щоб відчути магнітне поле Землі, це приблизно 750 наносекунд.
SN: Який грандіозний експеримент ви сподіваєтесь провести?Айєлло: Ми хочемо взяти клітину кімнатної температури, навчитись «розмовляти» зі спінами відповідних білків і виміряти, як довго тривають ці суперпозиції спінів.
Якщо ми візьмемо клітину пуголовка і виявимо, що суперпозиції електронних спінів живі всередині клітин лише протягом 100 наносекунд, то, ймовірно, це не те, що опосередковує відчуття пуголовками магнітного поля Землі.
З іншого боку, якщо ви виявите, що квантовість суперпозиції жива протягом двох мікросекунд, то раптом ви надаєте довіри ідеї, що можливо, що суперпозиція електронних спінів опосередковує чутливість пуголовків до зміщення магнітного поля Землі.
SN: Як досі сприйняли вашу роботу?Йєлло: Існує проблема комунікації.
Ми намагаємось сказати людям, що це стосується не лише жаб; є докази того, що це правильно для мух, черв'яків, бактерій.
Я не думаю, що біологічне співтовариство це розуміє.
Ось чому я виступаю за квантову грамотність, адже якби кожен, хто має ступінь повноцінної середньої школи, мав хоч трохи квантових знань, у нас могло б бути більше людей з біологічною освітою, які могли б пов'язати біологію та квантову науку, або матеріалознавство та квантову науку.
Нам потрібні люди, які розуміють, як квантова наука переплітається з багатьма іншими дисциплінами.
Квантові комп'ютери, мабуть, отримали найбільший ажіотаж серед усіх квантових технологій.
Вони функціонують на основі квантових бітів, або кубітів.
Ці чутливі блоки можуть бути виготовлені з різноманітних матеріалів, від крихітних шматочків кремнію до окремих атомів.
Вони виконують обчислення, як стандартні біти в класичних комп'ютерах, але розроблені для використання правил квантової механіки для обчислень.
Кубіти настільки чутливі, що схильні до помилок.
Перспектива квантових обчислень залежить від того, чи вчені розроблять способи виправлення цих помилок, каже Барбара Терхал, фізик з QuTech у Делфті, Нідерланди. Метод, який називається
квантовою корекцією помилок¹⁵, поєднує кілька кубітів, схильних до помилок, для створення більш надійного, «логічного» кубіта.
Нещодавно вчені продемонстрували
низку етапів¹⁶ у створенні
квантових комп'ютерів з корекцією помилок¹⁷.
SN: Навіщо нам потрібна квантова корекція помилок?Терхал: Без корекції помилок ми не можемо побудувати квантовий комп'ютер.
Я б не сказала, що експерименти, які зараз проводяться в лабораторіях, є квантовими комп'ютерами.
Те, що я називаю комп'ютером,—це надійна машина, яка може додавати великі числа тощо.
Корекція помилок дозволяє створювати надійні комп'ютери, які можуть бути цікавими для застосувань у довгостроковій перспективі.
Але це більше, ніж просто це.
Це також лише фундаментальне доповнення до нашого розуміння фізики.
Квантова корекція помилок говорить нам, що якщо ми дуже ретельно контролюємо ці квантові системи, ми можемо мати макроскопічну квантову поведінку, оскільки це логічні кубіти, і вони працюють відповідно до законів квантової механіки.
SN: У якому сенсі логічні кубіти є макроскопічними?Терхал: Традиційна складність зі створенням суперпозиції живого та мертвого кота мало пов'язана з точним розміром кота.
Швидше через свій розмір, кіт складається з багатьох «ступенів свободи».
Це особливість багатьох макроскопічних систем, що складаються з багатьох атомів.
Ми намагаємось створити щось, що має багато ступенів свободи, але кожен фізичний кубіт досить добре контролюється та відстежується на наявність помилок.
Тож у цьому сенсі ми отримуємо квантову поведінку в макроскопічному масштабі.
Це не буквально про розмір.
SN: Чи є ще скептики, які не переконані, що надійні квантові комп'ютери можливі?Терхал: Завжди будуть скептики.
Це кумедна річ у квантових обчисленнях, тому що це суміш повної перебільшеної реклами, людей, які абсолютно нічого не знають, і скептиків.
Бути скептиком—це добре.
Не те, щоб була одна команда, яка займалась виправленням помилок, і тепер ми там.
Тому що з кожним збільшенням масштабу можуть виникати нові проблеми.
Але немає жодної теореми, яка б стверджувала, що це неможливо, і оскільки цього не існує, вам потрібно спробувати.
Ви зіткнетеся з межами, коли вони з'являться, і це будуть цікаві виклики, які потрібно подолати.
SN: Що, на вашу думку, станеться в наступні 100 років квантової фізики?Терхал: Можливо, квантові ідеї поширяться далі, стануть спільною мовою.
Або, можливо, ми створимо квантовий комп'ютер або квантовоподібні комп'ютери.
Ймовірно, з'являться нові теорії, які не спростують інші теорії повністю, але розширять застосування того, що ми маємо зараз.
Якби ви запитали людей до винаходу квантової механіки, вони б подумали, що фізика майже завершена.
А тепер ми відчуваємо, що, можливо, нам потрібно об'єднати квантову механіку та гравітаційні сили, але в іншому це вже певною мірою зроблено.
Це цілком може бути неправильно.
Це трохи занадто наївно.
https://www.sciencenews.org/article/quantum-mechanics-100-revolution¹ —
Використання сили Другої квантової революції (13.11.2020):
https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/PRXQuantum.1.020101² —
Демітологізація квантової історії (1.04.2025):
https://pubs.aip.org/physicstoday/article-abstract/78/4/38/3340767/Demythologizing-quantum-historyCelebrating-the?redirectedFrom=fulltex³ —
Століття квантової механіки ставить під сумнів фундаментальну природу реальності (12.01.2022):
https://www.sciencenews.org/article/quantum-theory-history-reality-uncertainty-physics⁴ —
Новий атомний годинник є найточнішим на сьогоднішній день (5.10.2017):
https://www.sciencenews.org/article/new-atomic-clock-most-precise-yet⁵ —
Сапфіровий кіт Шредінгера показує, що квантові ефекти можуть масштабуватись (25.04.2023):
https://www.sciencenews.org/article/sapphire-schrodingers-cat-quantum⁶ —
Стани кота Шредінгера механічного осцилятора з ємністю 16 мікрограмів (20.04.2023):
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf7553⁷ —
Дослідіть усі виявлені досі події гравітаційних хвиль (21.01.2021):
https://www.sciencenews.org/article/gravitational-waves-black-holes-spacetime-ligo-virgo⁸ —
Гравітаційно-індуковане заплутування між двома масивними частинками є достатнім доказом квантових ефектів у гравітації (13.12.2017):
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.240402⁹ —
Другий закон термодинаміки лежить в основі майже всього. Але чи є він непорушним? (12.06.2024):
https://www.sciencenews.org/article/disorder-thermodynamics-second-law¹⁰ —
Точність годинника може бути пов'язана з ентропією, яку він створює (26.04.2021):
https://www.sciencenews.org/article/clock-time-accuracy-entropy-disorder¹¹ —
Точність не обмежується другим законом термодинаміки (10.07.2024):
https://arxiv.org/abs/2407.07948¹² —
Одного фотона достатньо, щоб розпочати фотосинтез (14.06.2023):
https://www.sciencenews.org/article/one-photon-photosynthesis-light¹³ —
Запропонований «квантовий компас» для співочих птахів став ще більш правдоподібним (28.06.2021):
https://www.sciencenews.org/article/quantum-mechanics-compass-songbird-physics¹⁴ —
Вплив слабкого магнітного поля в біології можна виміряти — прискорений ембріогенез Xenopus за відсутності геомагнітного поля (16.10.2024):
https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.10.10.617626v2¹⁵ —
Щоб виправдати ажіотаж, квантові комп'ютери повинні виправити свої проблеми з помилками (22.06.2020):
https://www.sciencenews.org/article/quantum-computers-hype-supremacy-error-correction-problems¹⁶ —
Квантовий комп'ютер виправив власні помилки, покращивши свої обчислення (10.09.2024):
https://www.sciencenews.org/article/quantum-computer-error-correction¹⁷ —
Квантова корекція помилок нижче порогу поверхневого коду (9.12.2024):
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08449-y---
Презентація на тему Суперпозиції (2019):
https://slideplayer.com/slide/16907353/