Квантовый мир. Популярно о сложном

Дайджест статей о самой важной для прогресса человечества научной теории

Организация Объединённых Наций официально объявила 2025 год Международным годом квантовой науки и технологий, что является важным признанием столетия с момента зарождения квантовой теории. Наступающий год станет временем празднования прошлых достижений и планирования будущего, в котором люди по всему миру смогут воспользоваться этими важными технологиями.
Квантовая механика, несмотря на свою кажущуюся странность и противоречивость здравому смыслу, лежит в основе современного технологического прогресса. Без нее невозможно представить наше общество таким, каким мы его знаем сегодня.К концу 19 века ученые считали, что основные законы природы им уже известны. Были открыты законы механики, электромагнетизма и тепловых процессов. Однако оставались некоторые нерешенные загадки. Например, цвет света, излучаемого раскалённым металлом, не совпадал с ожидаемым.
Наблюдения привели физиков к осознанию того, что мир атомов ведёт себя иначе, чем мир, воспринимаемый нашими органами чувств. Первые шаги к пониманию этого нового мира были сделаны в 1900 году, когда немецкий физик Макс Планк предположил, что энергия, переносимая светом и другими электромагнитными волнами, связана с частотой волны.
Последующие десятилетия привели к множеству открытий, которые постепенно раскрывали удивительный мир атома, где частицы могли вести себя и как крошечные шарики, и как волны на поверхности бассейна. Ситуация значительно прояснилась в 1925 году, когда австрийский физик Эрвин Шрёдингер сформулировал свое знаменитое уравнение, успешно описавшее спектр света, испускаемого атомами. Именно с этого момента атом перестал быть просто химической диковинкой и превратился в объект, чьи загадочные свойства можно использовать на благо человечества.
За прошедшее столетие наше понимание квантового мира значительно расширилось, а атомная физика открыла эру электроники. Транзисторы и другие полупроводниковые технологии сделали возможным существование нашего современного мира. Благодаря квантовой механике появились светодиоды, которые питают экраны наших ноутбуков и смартфонов. Даже указка с лазерным лучом, которой мы развлекаем своих кошек, – это портативный пример квантовой технологии, лежащей в основе глобальной телекоммуникации.
Развитие квантовых технологий продолжается. Исследователи работают над созданием новых материалов с потенциалом для создания сверхпроводников, работающих при комнатной температуре, что может революционизировать способы передачи энергии по всему миру. Усовершенствование солнечных батарей позволит нам более эффективно получать энергию солнца и бороться с опасностью, которую несет экономика, основанная на ископаемом топливе.
Понимание квантовой механики также ведет к трансформации компьютерной индустрии. Квантовые компьютеры, не полагающиеся на бинарную логику «включено-выключено» традиционных компьютеров, способны решать сложные задачи за доли секунды, на что современным компьютерам потребовались бы годы.
Решение ООН объявить 2025 год Международным годом квантовых технологий — это дань уважения роли квантовой теории в развитии современного технологического общества. Этот год также станет стимулом для национальных физических организаций по всему миру разрабатывать образовательные программы, чтобы рассказать людям о том, какое огромное влияние эта революционная теория оказала на человечество.
Подробнее: https://www.securitylab.ru/news/549557.php?ysclid=m6g7k8gsyw576437964
В свою очередь собрали для вас наиболее интересные и популярные статьи из научных журналов (Журнал «Наука и жизнь» есть в фонде ЧЗ) и интернет сайтов, которые, возможно, смогут приблизить читателя к пониманию квантовой теории, ее возможностей для всего человечества. Список снабжен ссылками, по которым вы сможете получить дополнительную информацию по теме.

СТАТЬИ ИЗ ЖУРНАЛА «НАУКА И ЖИЗНЬ»

КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА – СЛЕДСТВИЕ ТЕОРИИ СТРУН?
Исследователи из Университета  Южной Калифорнии предприняли попытку объяснить происхождение принципа неопределенности в  квантовой механике, выведя его из струнной теории поля.
Квантовая механика представляет собой основу современной физики микромира и при всей своей парадоксальности прекрасно работает во всех известных ее разделах. Более того, из нее можно вывести и классическую физику (как предел квантовой механики, устремляя к нулю постоянную Планка h, определяющую за квантовые явления). Так что можно говорить о всеобщности законов квантовой механики. Но, несмотря на огромный успех, у нее есть существенный недостаток. Один из краеугольных камней квантовой механики, принцип неопределенности Гейзенберга (например, неопределенность в определении положения и импульса), не имеет никаких обоснований. Разумеется, практический успех – достаточное оправдание, чтобы принять это таинственное правило, но это не останавливает поисков физиками его объяснения.
Исследователи из Университета Южной Калифорнии, известный специалист в области теории струн профессор Ицхак Барс и его аспирант из России Дмитрий Рычков, предприняли попытку объяснить происхождение принципа неопределенности Гейзенберга, выведя его из струнной теории поля. Этот результат опубликован в журнале Physics Letters. Подробности: https://www.nkj.ru/news/25175/

ЗОЛОТОЙ ЮБИЛЕЙ КВАНТОВОЙ ЭРЫ
Кандидат физико-математических наук Т. ШМАОНОВ.
Лазеры, которые совсем недавно казались какими-то малопонятными, но очень интересны ми лабораторными устройствами, сегодня стали неотъемлемой частью нашей жизни. Они работают в оптоволоконных линиях связи и на заводах, в компьютерах и видеоаудиоплеерах. Когда верстался номер, стало известно, что Нобелевская премия по физике в этом году присуждена исследователям, работающим в области лазерной техники: Рою Глауберу (США) – «за вклад в квантовую теорию оптической когерентности», Джону Холлу (США) и Теодору Хэншу (Германия) – «за развитие прецизионной лазерной спектроскопии, в частности – за методы комбинационной лазерной спектроскопии в оптическом диапазоне». Таким образом, число нобелевских лауреатов, работающих в областях, связанных с квантовой электроникой и лазерной техникой, возросло. Это лишний раз свидетельствует, что появление лазеров – один из крупнейших научных прорывов XX века. А началась история лазерной техники более полувека назад в нашей стране.
С появлением лазеров практически во всех областях науки, техники и экономики возникли совершенно новые технологические процессы и производства, составлявшие еще столетие назад сюжеты научно-фантастической литературы. По существу, полностью изменилось лицо нашей цивилизации. Образовалось и стало бурно развиваться информационное общество (включающее Интернет), основанное на использовании компьютеров и широкополосных сетей глобальной оптоволоконной и спутниковой связи, появившихся только благодаря возникновению квантовой электроники и связанных с ней технологий, и в первую очередь – лазеров различных частотных диапазонов, мощности и конструктивных особенностей.
Представив хронологию этого этапа в виде графика, можно заметить, что кривая до момента создания лазеров растет практически по экспоненте; продвижение в область все более высоких частот идет медленно, но тем не менее неуклонно.
К середине прошлого века был хорошо освоен диапазон от постоянного тока (0 Гц) до частот порядка нескольких гигагерц (1012 Гц). А за истекшие полстолетия удалось продвинуться в область высоких частот еще примерно на восемь порядков (до рентгеновского диапазона).
Интересно, что на начальном этапе развития многим казалось, что появился новый источник световой энергии практически неограниченной мощности, источник разрушающих все «лучей смерти». Человечество издревле мечтало овладеть такими лучами – достаточно вспомнить легенду о том, как Архимед сжег вражеский флот, используя зеркала, фокусирующие солнечные лучи. Можно спорить о правдоподобности этой исторической легенды, но современные научные оценки показывают, что основания для нее есть.
В конце позапрошлого века вышел научно-фантастический роман Герберта Уэллса «Война миров», сюжет которого основан на использовании марсианами тепловых лучей для завоевания Земли. Вскоре после него, в 20-х годах XX века, Алексей Толстой опубликовал роман «Гиперболоид инженера Гарина». В центре повествования – прибор, создающий высоконаправленный луч света сверхбольшой интенсивности, способный разрезaть и прожигать любой материал. Научно-техническая основа этого романа, мягко говоря, хромала. Но важно другое: и в нем проявилась мечта получить интенсивное световое излучение.
С самого начала своей истории человечество знало только один источник света – тепловой. Чем сильнее нагрето тело и чем больше его масса, тем ярче оно светится. Однако по мере накопления фундаментальных научных знаний о физических процессах генерации света становилось все яснее, что при увеличении толщины раскаленного тела растет и поглощение в его массе. Попытка повысить таким образом излучаемую мощность приводит к тому, что растущие потери сводят на нет наши усилия. Поднимать температуру можно тоже только до определенного предела, зависящего от тепловой прочности материала и величины подводимой энергии. На пути повышения мощности излучения возникает и множество других препятствующих факторов, приводящих к необходимости решать все более сложные проблемы.
Как всегда, наступает момент, когда накопленный значительный багаж научных знаний требует появления новых идей, возникает необходимость найти кардинально новые и к тому же простые пути решения стоящих задач.
Такой момент наступил в середине 50-х годов прошлого века. Тогда, практически одновременно, А. М. Прохоров и Н. Г. Басов в СССР, Дж. П. Гордон, Х. Дж. Цайгер и Ч. Х. Таунс в США опубликовали работы, заложившие основы квантовых методов генерации сверхвысокочастотных колебаний. Частотных ограничений эти методы не предполагали, и распространение их на световой диапазон в принципе было вполне возможным. Поэтому 1954 год можно условно считать годом возникновения квантовой электроники.
Чтобы правильно понять историческую логику ее появления и развития, целесообразно очень кратко остановиться на предыстории. Если проанализировать методы генерации электромагнитного излучения, применявшиеся до появления квантовой электроники, то есть до 1954 года, легко заметить, что все они основаны на классической схеме. В нее входят усилитель, резонансная система, схема обратной связи, подающая часть сигнала с выхода усилителя на его вход, и, разумеется, блок питания. В такой схеме квантовые явления учитывать не имело смысла в силу их малости. Она прекрасно работала как в мощных силовых системах – установках энергопитания (частоты от 50 Гц до нескольких кГц), так и в радиотехнических устройствах, включающих связь и радиовещание, телевидение и радиолокацию (частоты от 10 кГц до 10 ГГц).
В силовых системах главным элементом, объединяющим и усилитель, и обратную связь, служит механический преобразователь (генератор), который получает энергию от двигателя. На первом этапе развития радиотехники (до начала 20-х годов) не менее успешно (особенно в СССР) применялись мощные машинные генераторы высокочастотных колебаний для питания радиопередающих станций. Однако увеличивать частоту вращения роторов и, следовательно, частоту радиосигнала свыше 100 кГц было нельзя: это приводило к разрушению роторов центробежными силами.
Принципиально важным стало появление нового усиливающего элемента. В январе 1907 года американский ученый и изобретатель Ли Де Форест заявил патент на электровакуумный прибор – триод, очень быстро ставший основой всей радиоэлектроники первой половины ХХ века. Появилась электровакуумная и радиотехническая промышленность. Были разработаны электроваку умные приборы, рассчитанные на все более высокие частоты вплоть до гигагерц. Все они продолжают успешно использоваться в мощных радиотехнических генераторах и в наше время. Подробнее см.: https://www.nkj.ru/archive/articles/2430/ (Наука и жизнь, ЗОЛОТОЙ ЮБИЛЕЙ КВАНТОВОЙ ЭРЫ)

ЧТО ТАКОЕ КВАНТОВАЯ МЕДИЦИНА?
Кандидат биологических наук Е. КАЛИКИНСКАЯ.
Довольно часто по радио и телевидению рекламируют приборы для биорезонансной терапии. Можно услышать и другие термины – квантовая медицина, МИЛ-терапия. Что же это такое? Может быть, то самое пресловутое биополе, которое все ищут и никто не может найти? Или просто физиопроцедуры в новом обличье? Ни то, ни другое. Это несколько новых направлений медицины, которые основаны на вполне материальных процессах, протекающих в человеческом организме. Совсем недавно ученые установили, что каждый организм имеет свою собственную частоту очень слабых электромагнитных излучений, которая позволяет «общаться» с тканями и органами на понятном им языке. На основе этого феномена разработаны приборы, которые позволяют лечить человека с учетом его индивидуальных особенностей. Новый метод был опробован в клиниках и медицинских центрах Москвы и оказался эффективным для лечения некоторых болезней.
Электромагнитный «ключ» к организму
Болит сердце – прими успокоительное, появилась сыпь – помажь ее мазью, шалит печень – попробуй желчегонное. Мы привыкли к такому подходу к своим недугам, хотя всем давно известно, что лечить надо больного, а не болезнь. Ведь печень, почки, нервная система существуют не сами по себе, а в совокупности с остальными органами. Кроме того, у каждого человека все органы обладают индивидуальными особенностями, по-разному откликаются на тот или иной способ лечения. Важную роль играют и эмоции – нравится или не нравится нам то, как нас лечат.
Ясно, что индивидуальный подход к лечению больного был бы наиболее эффективным, но на практике его осуществить почти невозможно – где взять время, средства, силы?
И тем не менее многие исследования в медицине были направлены на поиски таких методов лечения, которые могли бы удовлетворить подобным требованиям.
Эти поиски затрагивали некоторые фундаментальные представления в естествознании. Данные современной физики и молекулярной биологии свидетельствовали о том, что живые системы образуют особый уровень структурной организации материи. Когда-то известный физик Э. Шредингер писал, что со временем будет разработана квантовая теория живых организмов.
Несколько лет назад была разработана модель, согласно которой человеческий организм окружен своеобразным электромагнитным «каркасом», содержащим информацию о его состоянии и развитии. Этот «каркас», однако, ничего общего не имеет с биополем, существование которого и поныне не доказано. Ведь под биополем понимают излучение особого вида энергии, якобы присущей всему живому. Что же касается электромагнитных излучений человеческого организма, то это явление вполне укладывается в схемы традиционной биофизики. Живые клетки испускают слабые электромагнитные` волны – ведь составляющие их частицы обладают электрическим зарядом, и у каждой молекулы есть свое, очень слабое магнитное поле. Движение крови и лимфы по сосудам – это движение заряженных частиц, которые взаимодействуют друг с другом и со стенками сосудов, притягиваются и отталкиваются. Все эти сложные и взаимосвязанные процессы делают свой вклад в «строительный материал» электромагнитного каркаса организма.
Исследователи предположили, что наиболее важную для нашего здоровья информацию несут волны миллиметрового диапазона. Чтобы воздействовать на организм человека на этом уровне, следует «общаться» с ним также с помощью этих волн. Это тот переводчик, который может донести до организма нужную информацию.
Гипотеза вскоре получила подтверждение: оказалось, что именно на электромагнитные излучения с длиной волны 4-6 мм люди реагируют по-разному. При этом каждый человек, вернее, его организм отзывается на одну особую, индивидуальную частоту – изменяется электроэнцефалограмма, электрокардиограмма, появляется ощущение тепла. Это явление было трудно объяснить с помощью уже существовавших теорий поглощения электромагнитных волн живыми клетками. Было выдвинуто предположение, что при воздействии на человека индивидуальной электромагнитной частотой в его организме возникают резонансные явления. Подробнее см.: https://www.nkj.ru/archive/articles/10166/ (Наука и жизнь, ЧТО ТАКОЕ КВАНТОВАЯ МЕДИЦИНА?)

КВАНТОВОЙ МЕХАНИКЕ – СТО ЛЕТ
В конце этого года мировая наука отмечает своеобразный столетний юбилей. 14 декабря 1900 года на заседании Берлинского физического общества немецкий физик Макс Планк (1858-1947) произнес слово «квант». Так было положено начало принципиально новой отрасли знаний – квантовой механике.
Планк не ставил своей целью создать новую науку. Он решал вполне конкретную, частную задачу: теоретически исследовал излучение абсолютно черного тела (модели твердого вещества, которое в холодном виде поглощает все падающее на него излучение, а будучи нагрето, излучает во всем диапазоне длин волн). Теорию «черного» излучения пытались построить неоднократно, но все попытки оканчивались безуспешно. Уравнения, верно описывающие коротковолновую часть излучения (например, формула Вина), давала большую ошибку в области длинных волн. А формула Рэлея-Джинса, прекрасно работающая в длинноволновой области, совершенно не годилась для коротковолновой.
Пытаясь вывести общее уравнение, Планк пошел эмпирическим путем, связывая измеренную с большой точностью зависимость энергии излучения от длины волны для ряда конкретных температур в одну формулу. Такую формулу ему удалось получить, но только при условии, что излучение черного тела происходит не непрерывно, а дискретно, порциями. Единичную порцию излучения Планк назвал квантом (от латинского quantum – сколько)
Макс Планк. Это он ввел в физику понятие «квант», положив начало принципиально новому ее разделу – квантовой механике.
Свою идею Планк докладывал коллегам с ощущением, что совершает «акт отчаяния» – настолько она противоречила всем принципам классической физики. Идею кванта он рассматривал только как математический прием. Он так и писал известному американскому физику Роберту Вуду: «Это была чисто формальная гипотеза …чтобы любой ценой получился положительный результат». И даже спустя десять лет Планк призывал своего молодого российского ученика А. Ф. Иоффе «не посягать на самый свет» и «не идти дальше, чем это крайне необходимо».
Однако уже в 1905 году Альберт Эйнштейн использовал идею Планка для объяснения фотоэффекта. В начале XX века была обнаружена странная закономерность: скорость вырываемых из вещества электронов определяется только частотой света и не зависит от его интенсивности. С точки зрения классической электродинамики объяснить это было трудно, но с квантовой позиции явление становилось совершенно понятным. Эйнштейн предположил, что не только испускание и поглощение света происходя т порциями, но и само излучение существует только в виде отдельных объектов – квантов света.
Идея кванта оказалась чрезвычайно плодотворной. В 1913 году Нильс Бор создал теорию атома, постулировав условия квантования электронных орбит. А спустя одиннадцать лет Луи де Бройль выдвинул гипотезу о всеобщем корпускулярно-волновом дуализме: любая частица есть в то же самое время и волна. Экспериментальное подтверждение идеи де Бройля состоялось в 1927 году – впервые удалось наблюдать дифракцию электронов, чисто волновое явление. Годом раньше Эрвин Шредингер предложил уравнение, описывающее такие волны, а Макс Борн дал им статистическую, вероятностную интерпретацию.
Поскольку любая волна бесконечна в пространстве, то и каждую частицу можно обнаружить где угодно, но с разной степенью вероятности. Мир перестал быть детерминированным, он сделался вероятностным.
Для физиков признание этого факта стало тяжким испытанием. Известный теоретик Хендрик Крамерс, ассистент Нильса Бора, писал: «Квантовая механика очень похожа на иные победы: месяца два вы смеетесь, а потом долгие годы плачете». Шредингер в отчаянии восклицал: «Если эти проклятые квантовые скачки сохранятся вфизике, я пожалею, что вообще связался с квантовой теорией!». Эйнштейн признавал, что он, подобно страусу, «прячет голову в песок относительности, чтобы не смотреть в лицо гадким квантам». А в письме к Борну он писал: «Квантовая механика внушает большое уважение. Но внутренний голос говорит мне, что это все же не то… Во всяком случае я убежден, что Бог не играет в кости…»
Тем не менее квантовая механика смогла очень быстро и с успехом описать самый широкий круг физических явлений. Были созданы теории атомных спектров, химической связи, строения молекул, ферромагнетизма. И конечно же, без квантовой механики невозможна физика элементарных частиц.
Первой открытой элементарной частицей был электрон: в 1897 году Дж. Дж. Томсон показал, что давно известные катодные лучи – не что иное, как поток электронов. В 1911 году Эрнст Резерфорд, бомбардируя альфа-частицами тонкую металлическую фольгу, пришел к выводу, что в центре атома имеется положительный заряд. Спустя семь лет он зарегистрировал протоны. Другую частицу, входящую в состав ядра, – нейтрон – открыл в 1932 году Джон Чедвик.
Число обнаруженных частиц стремительно росло, и «элементарными» их продолжали называть только по традиции: подавляющее большинство частиц имеет сложное строение. Их свойства определялись квантовыми характеристиками, аналогов которым в классической физике не было. Поэтому им пришлось приписывать «странность», «очарование», «цвет», «аромат», «прелесть» – свойства, не имеющие ничего общего с обыденными. Подробнее см.: https://www.nkj.ru/archive/articles/5347/ (Наука и жизнь, КВАНТОВОЙ МЕХАНИКЕ- СТО ЛЕТ)

НОБЕЛЕВСКУЮ ПРЕМИЮ ПО ФИЗИКЕ 2022 ГОДА ДАЛИ ЗА КВАНТОВУЮ ЗАПУТАННОСТЬ
Нобелевскую премию получили Ален Аспе, Джон Клаузер и Антон Цайлингер за новаторские эксперименты с использованием запутанных квантовых состояний, которые расчистили путь для новых технологий, основанных на квантовой информации.
Квантовая запутанность — физическое явление, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми. Происходящее с одной частицей в запутанной паре, определяет то, что происходит с другой, даже если они находятся слишком далеко, чтобы влиять друг на друга. Суть её в том, что измерение какого-либо параметра одной частицы сопровождается мгновенным (быстрее скорости света) получением информации о состоянии другой. Это явление и возможность его использования служили источником многолетних дискуссий, в том числе и с участием Альберта Эйнштейна, который считал этот эффект невозможным.
В последние десятилетия стало ясно, что казавшиеся не имеющими никакой практической пользы явления квантовой механики, связанные квантовой запутанностью, всё же начинают находить применение. В настоящее время уже существует обширная область исследований, включающая квантовые компьютеры, квантовые сети и безопасную связь с квантовым шифрованием, где они используются. Оказалось, что запутанные квантовые состояния обладают большим потенциалом для создания новых способов хранения, передачи и обработки информации. Большую роль в развитии этого направления исследований сыграли работы новых нобелевских лауреатов Алена Аспе, Джона Клаузера и Антона Цайлингера, которые своими экспериментами не только решили ряд фундаментальных вопросов интерпретации квантовой механики, но и открыли дорогу новым технологиям. Разработка лауреатами экспериментальных инструментов заложила основу для будущих квантовых технологий. Каждый из них получил треть нобелевской премии с формулировкой «за эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенств Белла и новаторство в квантовой информатике».
Одним из ключевых факторов движения от теории к технологии стало понимание, что из себя представляет так называемое запутанное состояние, как квантовая механика позволяет двум или более частицам существовать в нём. Как то, что происходит с одной из частиц в запутанной паре, определяет происходящее с другой частицей, даже если они находятся далеко друг от друга. Подробнее: https://www.nkj.ru/news/46497/

ЧЕШИРСКИЙ КОТ ЖИВЕТ В МИКРОМИРЕ
В сказке Льюиса  Кэрролла улыбка Чеширского кота существовала отдельно от самого кота. Оказалось, что и магнитное поле нейтрона может путешествовать отдельно от самого нейтрона.
С самого начала своего существования квантовая теория подарила миру целый букет необъяснимых и поражающих воображение явлений, таких как корпускулярно-волновой дуализм, кот Шредингера и квантовая нелокальность. Теперь физики доказали существование еще одного  парадоксального явления квантовой механики, которое они назвали: «квантовым Чеширским котом». Суть его заключается в том, что квантовая система в определенных условиях может вести себя так, как будто частицы и их свойства пространственно разделены. Другими словами, в квантовом мире возможно невозможное – объект может быть отделен от своих свойств. Название явления навеяно знаменитой книгой Льюиса Кэрролла «Приключения Алисы в стране чудес», где Алиса встречает Чеширского кота, который исчезает, оставляя после себя одну только улыбку.
В работе международной команды физиков, опубликованной 29 июля 2014 в журнале Nature Communications,  было предложено использовать слабые измерения для изучения «Чеширского кота» на примере нейтронов. В эксперименте с использованием нейтронного интерферометра производилось разделение пучка нейтронов на два пучка, идущих разными путями, и выполнялись слабые измерения местоположения частиц и их магнитного момента (спина). Экспериментальные результаты показывают, что система ведет себя так, как если бы нейтроны проходят по одному пути, в то время как их магнитный момент путешествует по другому пути. Таким образом, коты-нейтроны находятся в другом месте, чем их улыбки-спины.
Идею слабого измерения предложил в 1988 году израильский физик Якир Ааронов с коллегами. Ее суть в том, что слабое измерение не сильно изменяет наблюдаемую систему. Здесь надо вспомнить, что в квантовой механике любое измерение изменяет состояние наблюдаемого объекта. Но за все нужно платить, слабые измерения показывают поведение большого числа частиц в одинаковом состоянии и не могут давать информацию об отдельной частице. Зато они применимы там, где пасуют обычные измерения. Слабые измерения особенно работоспособны в случае, когда рассматривается эволюция систем с заданными начальным (предопределенным) и конечным (после-определенным) состояниями, который реализован в рассматриваемом эксперименте.
Идея квантового Чеширского кота была впервые разработана именно Якиром Аароновым, который в 2013 году предложил способ использования слабых измерений для его обнаружения, и Джеффом Толлаксеном из Университета Чепмена (США), одним из авторов работы. Данный эксперимент, впервые доказавший существование этого явления, был проведен на источнике нейтронов в институте Лауэ-Ланжевена в Гренобле с участием специалистов из Венского технологического университета, разработавших уникальную измерительную установку.
В эксперименте на нейтринном интерферометре (см. рисунок «Схема экспериментальной установки») пучок нейтронов, имеющий направления спинов вверх и вниз, проходит через идеальный кристалл кремния (Р) и разделяется на две части. Далее оставляется поляризованный пучок, в котором все нейтроны имеют одинаковое направление спина (вверх на рисунке). Спиновращатель ST1 поворачивает спин вдоль траектории движения. Затем в блоке SRs создаются два пучка с ориентацией спинов в разные стороны: Первый пучок нейтронов имеет спин вдоль траектории нейтронов, спин второго пучка направлен в противоположном направлении (предопределенные состояния). После прохождения разными путями оба пучка объединяют (PS), и наблюдают интерференцию пучков, отслеживаемых  H и O детекторами (Det)
В детекторе О (O-Det) регистрируют  только нейтроны, которые имеют спин вдоль направления движения (после-определенное состояние). Все остальные просто игнорируются. Совершенно очевидно, что эти нейтроны должны были путешествовать по первому пути, поскольку только там, нейтроны имеют такое спиновое состояние. Это доказывается в эксперименте поочередной установкой на каждый путь фильтра (ABS), поглощающего небольшую часть нейтронов. Если второй пучок пропускается через фильтр, то регистрируемое число нейтронов остается неизменной. Если первый луч направляется через фильтр, число этих нейтронов уменьшается (на рис. показан фильтр на первом пути).
«Странности» начинаются при попытке определить, где находится нейтронный спин. Для этого направление спинов слегка изменяется с помощью магнитного поля. Когда два пучка сводятся надлежащим образом, они интерферируют и могут усиливать или подавлять друг друга. Небольшое изменение спинов должно приводить к изменению интерференционной картины. Оказалось, что магнитное поле, приложенное к первому пучку, не производит никакого эффекта! Зато, если его приложить ко второму пучку, который не содержит регистрируемых нейтронов, нужный эффект появляется.
Таким образом, на первом пути, сами частицы взаимодействуют с измерительным прибором, но только другой путь чувствителен к взаимодействию с магнитным полем. Система ведет себя так, как если бы частицы были пространственно отделены от их магнитных свойств.
Этот невероятный эффект имеет, тем не менее, и практическую ценность для повышения точности измерений на квантовых масштабах, которые очень часто основаны на принципе квантовой интерференции. Дело в том, что электромагнитные шумы, влияя на спины частиц, вносят искажения в измерения. Отделение спина от частицы позволит свести такие искажения к минимуму. Например это поможет проводить гравитационные измерения на микроуровне. Подробнее: https://www.nkj.ru/news/24726/

СТАТЬИ ИЗ СЕТИ «ИНТЕРНЕТ» И САЙТА «НАУКА.РФ»

Квантовая механика на пальцах: понять сложное простыми словами
Квантовая механика — это раздел физики, изучающий поведение материи и энергии на уровне атомов и субатомных частиц. Она описывает явления, которые не поддаются объяснению с точки зрения классической физики. Понимание квантовой механики открывает двери к современным технологиям и глубокому осознанию природы Вселенной.
Исторический контекст развития квантовой механики
В конце XIX — начале XX века учёные столкнулись с явлениями, которые не могли быть объяснены существующими физическими теориями. В 1900 году Макс Планк предложил идею квантов энергии, что стало первым шагом к развитию квантовой теории. В 1905 году Альберт Эйнштейн объяснил фотоэлектрический эффект, предположив, что свет состоит из квантов — фотонов. Эти открытия заложили основу для дальнейшего развития квантовой механики.

Основные принципы квантовой механики. Принцип суперпозиции
Согласно этому принципу, квантовая система может находиться в нескольких состояниях одновременно до момента измерения. Это означает, что частица может быть одновременно в двух местах или иметь разные энергии.

Принцип неопределённости Гейзенберга
Этот принцип утверждает, что невозможно одновременно точно определить положение и импульс частицы. Чем точнее мы знаем положение частицы, тем менее точно можем определить её импульс, и наоборот. (рис. 1)

Квантовая запутанность
Квантовая запутанность — это явление, при котором две или более частиц становятся взаимосвязанными таким образом, что состояние одной частицы мгновенно влияет на состояние другой, независимо от расстояния между ними.
Математический аппарат квантовой механики
Квантовая механика использует сложный математический аппарат для описания поведения микрочастиц. Основными инструментами являются операторы, волновые функции и уравнение Шрёдингера. Волновая функция описывает состояние системы и содержит всю информацию о ней. Операторы соответствуют физическим величинам, таким как энергия или импульс, и действуют на волновые функции. Уравнение Шрёдингера позволяет предсказывать, как волновая функция изменяется со временем.

Рис. 2

Кот Шрёдингера: мысленный эксперимент
Представьте себе кота, запертого в коробке с механизмом, который может убить его с равной вероятностью. Согласно квантовой механике, до открытия коробки кот находится в состоянии суперпозиции — одновременно жив и мёртв. Этот парадокс подчёркивает странность квантового мира и сложность его интерпретации. (рис. 2)
Практическое применение квантовой механики
Квантовая механика лежит в основе многих современных технологий. Транзисторы, лазеры, МРТ-сканеры — все эти устройства работают благодаря принципам квантовой механики. Без понимания квантовых явлений современная электроника была бы невозможна.

Современные исследования
Сегодня квантовая механика продолжает развиваться, открывая новые горизонты. Квантовые компьютеры обещают революцию в вычислительных возможностях, а квантовая криптография предлагает абсолютно защищённые способы передачи информации. Исследования в этой области активно ведутся, и будущее квантовых технологий выглядит многообещающе. Квантовая механика открывает перед нами удивительный мир, где привычные законы физики перестают действовать. Понимание её принципов помогает не только расширить наше представление о Вселенной, но и развивать технологии будущего.
Подробнее : https://dzen.ru/a/Z1O5hb2YuloUuztq?ysclid=m6f0gjumjy504002605

Сергей Апресов
Квантовая механика «для чайников»: ответы на самые каверзные вопросы
«Думаю, я смело могу утверждать, что квантовую механику не понимает никто», — сказал нобелевский лауреат Ричард Фейнман в 1964 году. С тех пор прошло больше половины столетия, и некоторые вещи стали выглядеть чуть яснее.  Что вообще значит «квантовый»? Слово «квант» означает минимальную неделимую порцию чего-либо. Например, фотон — это квант света. Квантовая механика изучает природу сверхмалых, атомных и субатомных, частиц. К ним относятся, например, электроны, протоны и те же фотоны. Также их называют элементарными частицами. Способности и свойства сверхмалых объектов кажутся парадоксальными. Частицы могут находиться в нескольких местах одновременно. В школьных учебниках химии упоминаются электронные облака — сово­купность точек, где с наибольшей вероятностью может находиться электрон. И во всех этих точках он присутствует в одно и то же время! У электронов есть и другие свойства, например так называемый спин, собственный момент импульса. И он тоже может принимать разные значения одновременно. Способность элементарной частицы пребывать сразу в разных местах и состояниях называют суперпозицией. Другое «странное» свойство квантовых объектов —спутанность. Например, в лаборатории можно получить пару фотонов в спутанном состоянии. И тогда, на каком бы расстоянии друг от друга они ни оказались (теоретически хоть в разных галактиках), изменение состояния одного из них повлияет и на другой. С эффектом спутанности связаны проекты квантовой телепортации. И я должен в это просто поверить?
Вовсе нет. «Странности» микромира легко объяснить. Достаточно вспомнить, что квантовые объекты, хоть и являются частицами, проявляют свойства волны. Всем известно, что свет, состоящий из фотонов, — ​это электромагнитная волна определенной частоты. Частота поменьше соответствует красному цвету, побольше — фиолетовому.

Рис. 3

Представьте, как вы бросаете камень в аквариум. По всей поверхности воды расходятся круги. Получается, волна находится повсюду, то есть в разных местах одновременно. Сделаем волну посложнее — ​бросим еще один камень. Теперь посмотрим на происходящее в аквариуме сбоку, через стекло. Мы увидим волнистую линию с гребнями разной высоты. Именно так рисуют волновую функцию фотона на графике. (рис. 3)

Взгляните на рисунок. Амплитуда волны определяет положение частицы: чем выше гребень, тем больше вероятность при измерении обнаружить там наш фотон. Несколько гребней — наглядное графическое отображение суперпозиции. Частота волны характеризует «количество движения» — момент импульса.
Как объяснить спутанность? Когда вы бросили в аквариум два камня, две волны оказали друг на друга влияние. Можно сказать, что одна волна оставила в другой отпечаток, и наоборот. Так же спутываются волновые функции двух частиц. Теперь, на какое бы расстояние их ни разнесли, при измерении они дадут в чем-то похожие результаты. При этом никакого канала, по которому информация передается быстрее скорости света, между частицами нет. Они просто похожи друг на друга.
Кажется, в этой истории еще был кот? Австрийский физик Эрвин Шрёдингер, один из основоположников квантовой механики, предложил мысленный эксперимент: «Посадим кошку в стальной сейф вместе с адской машиной. В счетчик Гейгера положена крупинка радиоактивного вещества, столь малая, что за час может распасться один из атомов, но с той же вероятностью может не распасться ни один. Если атом распадется, счетчик приведет в действие молоточек, который разобьет колбу с синильной кислотой… Волновая функция всей системы выразила бы это тем, что живая и мертвая кошка смешаны или размазаны в одинаковых пропорциях».
Где проходит граница «квантового мира»? Есть такой анекдот. Гейзенберг вел машину, и его остановил полицейский. — Профессор, вы знаете, с какой скоростью вы едете? — Нет, но я точно знаю, где я нахожусь. Физик Вернер Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, согласно которому чем точнее измеряется одна характеристика частицы, тем менее точно можно измерить другую. Этот принцип объясняет, почему мы не можем наблюдать за квантовыми объектами во всем многообразии их свойств. Формула Гейзенберга позволяет вычислить величину неопределенности, исходя из массы и скорости объекта. Она помогает ответить на вопрос, где пролегает граница между «классическим» и «квантовым миром». Ответ предсказуем: никакой границы нет. Просто для макрообъектов неопределенность получается столь мала, что мы ее не замечаем.
Очевидно, что, открыв сейф, мы бы не смогли увидеть в нем некую смесь живой и мертвой кошки. Она была бы или жива, или мертва. Аналогия Шрёдингера хорошо иллюстрирует фундаментальное ограничение квантовой механики: мы не имеем возможности наблюдать за жизнью электронов и фотонов во всем ее волновом многообразии. При попытке измерить их параметры мы видим просто частицу с определенным спином или в определенном положении — без всяких суперпозиций. Говоря более научным языком, при измерении волновая функция коллапсирует. И это свойство играет важную роль при проектировании квантовых компьютеров.

Как же работает квантовый компьютер?
Современные ноутбуки и смартфоны относятся к классическим компьютерам. Единицей информации в них служит бит, который может принимать значения 0 и 1. Физически это крохотный транзистор (электрический затвор), на контактах которого может быть низкое (0) или высокое (1) напряжение. Возьмем систему из трех битов. На выходе она может дать 8 вариантов значений, но, чтобы описать любое из них, нам достаточно всего трех чисел, нулей или единиц.

Рис. 4

В квантовом компьютере единица информации — ​это кубит, квантовый бит. Допустим, это электрон, у которого может быть спин 0 или 1. Система из трех кубитов при измерении может дать те же 8 вариантов значений, что и три классических бита. Однако с помощью квантовой спутанности мы можем создать суперпозицию из этих 8 значений, причем для каждого из них задать определенную вероятность —в виде числового коэффициента. Выходит, чтобы описать систему из трех кубитов, нам понадобится уже не 3, а целых 8 чисел. Повторимся: за один рабочий такт мы можем «скормить» классическому компьютеру всего три числа, а квантовому — восемь. С ростом числа кубитов количество информации, которую можно на них подать, экспоненциально растет. Например, 300 классических битов — это 300 чисел, нулей или единиц. А 300* кубитов — это уже 2 в трехсотой степени чисел. И это больше, чем элементарных частиц во всей Вселенной! На данный момент существуют экспериментальные системы из 70 кубитов. (рис. 4)
И что компьютер делает со всей этой информацией?
Классический компьютер делит задачу на порции, которые его процессор может обработать за раз, и решает ее последовательно за множество тактов. Процессор проделывает с битами математические операции, выдавая другие биты. Квантовый компьютер сможет «проглотить» задачу целиком и решить ее за один такт. Он тоже будет совершать над числами математические операции. Какие именно — еще только предстоит определить. Разработка квантовых алгоритмов — одно из ключевых направлений научных исследований.
Алгоритм Шора выглядит угрожающе лишь в теории. Свойства квантовых объектов и их суперпозиция связаны с вероятностями. И когда квантовый компьютер выдает результат, он тоже верен лишь с определенной вероятностью. Чтобы повысить вероятность правильного решения, приходится совершать дополнительные вычисления. И в случае с алгоритмом Шора они занимают немало времени. Так что до быстрого взлома шифров квантовым компьютерам, как до звезды. Зато технологии квантовой защиты данных, принципиально невзламываемые вследствие законов физики, развиваются быстро. Коммерческие линии квантовой связи уже работают в разных странах.
На данный момент квантовые компьютеры умеют сортировать базы данных по алгоритму, который разработал Лов Кумар Гровер в 1996 году. Возьмем, к примеру, не сортированную телефонную книгу с миллионом записей. Чтобы расставить их в алфавитном порядке, классическому компьютеру понадобится полмиллиона тактов, а квантовому — всего тысяча.
Алгоритм Шора, пожалуй, известнее других. Он связан с факторизацией — разложением числа на простые множители. Именно из-за алгоритма Шора считается, что современные системы шифрования данных не устоят перед квантовыми компьютерами. Распространенные ныне шифры основаны на асимметричных функциях. Например, ваш компьютер легко умножит 641 на 853 и получит 546 773. Но вот получить из 546 773 обратно 641 и 853 у него вряд ли получится. А у квантового — запросто.
Как выглядят кубиты?
По-разному. В лабораториях можно увидеть громоздкие машины из лазеров, световодов и оптических ловушек. Такие установки генерируют отдельные фотоны, манипулируют ими, измеряют их состояния. В других системах вещество экстремально охлаждают до состояния бозе-эйнштейновского конденсата. Это особое агрегатное состояние, при котором макроскопические объекты начинают проявлять квантовые свойства.
В Университете Нового Южного Уэльса (Австралия) создают многокубитную систему на чипе. Вероятно, именно такие квантовые компьютеры найдут применение в реальной жизни. Ученые помещают на кремниевую подложку атом фосфора, который захватывает из кремния один электрон. У этого электрона есть спин, и он служит кубитом. Ядро атома фосфора имеет свой собственный спин и тоже служит кубитом. Микроволновые сигналы разной частоты подаются на микроскопические кремниевые антенны, чтобы манипулировать спинами частиц.
Такой квантовый компьютер выглядел бы точь-в-точь как классический, если бы не один нюанс. Чтобы «успокоить» частицы, которые обычно движутся и соударяются в броуновском движении, их нужно охладить практически до абсолютного нуля. Чип помещают в криостат, температура внутри которого равняется 0,01 К. И это холоднее, чем в открытом космосе. Холоднее, чем где-либо во Вселенной, которую реликтовое микроволновое излучение, оставшееся от Большого взрыва, всегда подогревает минимум до 2,7 К.
Получается, квантовых ноутбуков не будет?
И да, и нет. Современные классические компьютеры — это не только и не столько наши ноутбуки и смартфоны. Даже в большей степени это понятие относится к серверам и суперкомпьютерам, которые обитают в дата-центрах и выполняют всю тяжелую вычислительную работу. Пользовательские устройства все больше превращаются в терминалы доступа к облачным сервисам.  Квантовые компьютеры — даже те, которые сейчас находятся в исследовательских лабораториях, — вполне уместно смотрелись бы в дата-центрах. Места они занимают как несколько серверных стоек, а по внутреннему устройству чем-то напоминают магнитно-резонансные томографы, которые стоят во многих клиниках. В них тоже есть криогенные установки, температура внутри которых опускается до 4 К. С другой стороны, квантовый компьютер не замена и не эволюционный потомок классического. Это принципиально иное устройство для узкоспециализированных задач — конкретно для тех, которые предполагают многовариантность решений. Пока с трудом верится, что квантовый компьютер будет хорош, например, в видеоиграх. Но если нужно смоделировать молекулу и для этого сперва составить, а затем обсчитать таблицу вариантов, в которой по миллиону столбцов и строк, — классическим компьютерам здесь делать нечего.
Подробнее: https://digitalocean.ru/n/kvantovaya-mehanika-dlya-chajnikov?ysclid=m6f0lq6myp382335003

Квантовая революция . В России впервые создали 50-кубитный квантовый компьютер | Новости науки
Первыми в России создала 50-кубитный квантовый компьютер научная группа Российского квантового центра (РКЦ) и Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН). Разработку вели в рамках дорожной карты развития высокотехнологичной области «Квантовые вычисления», координатором которой выступает Госкорпорация «Росатом». Экспертную поддержку реализации Дорожной карты оказывает Российская академия наук. Универсальный квантовый вычислитель на ионной платформе с 50 кубитами в настоящий момент является самым мощным квантовым компьютером в России. Доступ к нему осуществляется через облачную платформу, с помощью которой могут быть запущены базовые квантовые алгоритмы.  «Всего четыре года назад самым высоким показателем в стране были два кубита. Сегодня 50 кубитов это лучший результат, но не единственный — мы показали прототипы квантовых компьютеров на четырех платформах, — сказал сооснователь РКЦ Руслан Юнусов. — И это лишь первый шаг на пути к масштабному внедрению квантовых вычислений. В рамках дорожной карты до 2030 года мы займемся разработкой промышленных квантовых компьютеров». Средний показатель продолжительности аналогичных исследований в мире составляет 15 лет. Таким образом, скорость развития российского квантового проекта является одной из самых высоких в мире.

Исследователи Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова и Российского квантового центра представили прототип 50-кубитного квантового вычислителя на одиночных нейтральных атомах рубидия. Разработку вели в рамках дорожной карты развития высокотехнологичной области «Квантовые вычисления», координатором которой выступает Госкорпорация «Росатом». Прототип квантового компьютера Центра квантовых технологий (ЦКТ) физического факультета МГУ основан на одиночных нейтральных атомах рубидия, которые захватываются оптическими пинцетами (сфокусированными лазерными лучами). Кубит кодируется во внутренних степенях свободы этого одиночного атома. Работоспособность этой системы, а также возможность подключаться к ней удаленно с помощью облачной платформы, продемонстрировали на контрольном эксперименте 19 декабря 2024 года, который зафиксировал успешное выполнение заявленных в дорожной карте показателей. Подробнее: https://наука.рф/news/v-rossii-vpervye-sozdali-50-kubitnyy-kvantovyy-kompyuter-/?region=MOW

Алексей Федоров: быть квантово готовым

Когда сложные технологии только появляются, любой прогноз, как они будут выглядеть и применяться через несколько десятков лет, может стать ошибочным. Сейчас они применяются для решения узких задач — хотя все может измениться со временем, рассказал руководитель научных групп «Квантовые информационные технологии» Российского квантового центра и Университета МИСИС, создатель первого в мире квантового блокчейна для хранения и проверки финансовых данных Алексей Федоров в интервью Медиастудии II Конгресса молодых ученых – ключевого мероприятия первого года Десятилетия науки и технологий. Существует гипотеза, что квантовые компьютеры не заменят классические. При этом создание квантового компьютера — сложный и дорогой процесс. Однако перед Россией стоят большие вызовы, и технология должна развиваться в рамках реализации задачи достижения технологического суверенитета. «С одной стороны, сначала нам надо решить проблему безопасности квантового компьютера. Если мы разберемся с ней, то сможем решать сложные оптимизационные задачи, искать более эффективные способы производства определенных продуктов, производить вычисления, которые сегодня кажутся не решаемыми. Скорее всего, будут нужны разные квантовые компьютеры для разных задач», — сказал Федоров.
Сегодня квантовый компьютер представляет собой лабораторию, нагромождение приборов. Однако есть примеры, когда квантовые компьютеры упаковывали в серверные стойки, то есть, они поддаются миниатюризации, отметил Федоров. Постепенно мы начнем пользоваться квантовыми технологиями, они будут решать практические задачи. И когда-нибудь можем увидеть квантовый компьютер, упакованный в мобильный телефон. Уже сейчас, уточнил ученый, наблюдается активный рост интереса со стороны крупных компаний к квантовым компьютерам.
«Есть компании, которые приходят с задачами, например, для финансовой отрасли. Определенная поддержка есть. Я бы хотел, чтобы она была больше, чтобы больше компаний думало о трансформации своих процессов. Мы готовы делиться знаниями. Есть такой термин — “Быть квантово готовым”. Так что важно, чтобы общество и бизнес были готовы к появлению квантовых технологий», — пояснил он. Интерес к квантовым технологиям есть и со стороны студентов. Ученый признался, что запросов на стажировки даже больше, чем возможности их обработать. «К нам приходят студенты, обычно очень хорошие. Они решают задачи, делают это очень быстро. В этом направлении нам с наукой и научной школой везет. Открытия часто делаются потому, что в коллективе есть студенты, которые мыслят по-другому», — поделился Федоров.Поэтому, подчеркнул ученый, интерес молодежи к квантовым технологиям необходимо поддерживать. Подробнее: https://наука.рф/journal/aleksey-fedorov-byt-kvantovo-gotovym/

Подкаст с Дмитрием Чермошенцевым о квантовых технологиях
Чем современные квантовые компьютеры отличаются от прежних, как использовать эти технологии в медицине, как ведут себя объекты в квантовом мире и можно ли объяснить квантовую запутанность на примере пары носков? Об этом расскажет гость выпуска — руководитель группы в «Росатом – Квантовые технологии» и старший научный сотрудник Российского квантового центра Дмитрий Чермошенцев. Подробнее: https://наука.рф/journal/podkast-s-dmitriem-chermoshentsevym-o-kvantovykh-tekhnologiyakh/