Однажды наступят волшебные времена. Однажды у нас будет мобильный телефон, который надо заряжать раз в год. Банковская карточка, с которой невозможно украсть деньги. Микротермометр, который почувствует первую же заболевшую клетку и вылечит ее. Однажды это все станет реальностью. Осталось разобраться в квантовой механике, которая сделает чудеса возможными.
Обычная квантовая магия
Постулаты квантовой механики кажутся удивительными, потому что они противоречат нашей интуиции и бытовым знаниям. Но если бы мы с детства росли в мире, живущем по квантово-механическим законам, то эти чудеса были для нас обыденными.
Например…
1. В макромире — том мире, который нас окружает, — вы читаете этот текст, сидя на диване или стуле, и он стоит точно под вами и нигде больше. «Если бы в нашем мире работали законы квантовой механики, то диван мог бы одновременно быть и под вами, и на ближайшей автобусной остановке. Такое квантовое состояние дивана называется суперпозицией», — объясняет профессор Гарвардского университета, член Международного консультативного совета Российского квантового центра физик Михаил Лукин.
2. На автобусной остановке диван могут испачкать или украсть, и вообще вас раздражает неопределенность его местоположения. Чтобы «вернуть» мебель домой, достаточно потрогать ту «ипостась» дивана, которая стоит у вас в квартире, ведь в мире квантовой механики он одновременно существует и там и там! Стоит вам коснуться обивки, суперпозиция дивана разрушится и он останется только в квартире. Впрочем, с некоторой вероятностью диван может оказаться и только на остановке. Поэтому мебельные магазины в квантовом мире продают диваны, для которых после разрушения суперпозиции выше вероятность очутиться у вас дома, а не где-то еще.
3. Есть более простой способ разобраться с диваном. «Суперпозиция — очень хрупкое состояние, и при попытке измерить ее, она тут же разрушается, — объясняет Лукин. — Причем не обязательно использовать приборы, достаточно просто посмотреть. В теории макроскопический диван может находиться в суперпозиции, но этого не происходит, так как с ним сталкиваются атомы воздуха, его «чувствует» пол, на него смотрят люди. Можно сказать, что таким образом внешний мир как бы измеряет суперпозицию и тем самым убивает ее. Но в микромире суперпозиция — самое обычное дело».
4. В нашем привычном мире, собираясь пойти пообедать с коллегами, вы спрашиваете, голодны ли они. В квантовом мире все проще: если в офисе все сотрудники особым образом связаны друг с другом (физики говорят «запутанны»), то вы и так знаете, как они себя ощущают. Более того, если кто-то из коллег пошел обедать, то в момент, когда он поест, вы тоже почувствуете насыщение. Если некто спросит у любого из связанных с вами коллег, сыт он или голоден, то, получив ответ, узнает и ваше состояние. Такой феномен мгновенного перемещения информации на любые расстояния получил название квантовой телепортации.
Знание о том, голоден или сыт связанный с вами коллега, никак не путешествует в пространстве: оно не передается ни по проводам, ни по радио, ни по телеграфу, но вы оба моментально узнаете обо всех изменения друг друга. «Это звучит как магия, но это и есть магия, особая квантовая магия», — говорит швейцарский физик и основатель компании id Quantique Николя Гизен.
5. В макромире, где работают квантовые законы, нет пробок. В привычной реальности, чтобы переместить автомобиль из точки А в точку Б, нужно затратить энергию. В квантовом макромире автомобиль может занять ее у Вселенной и попасть в точку Б сам собой. Этот феномен называют квантовым туннелированием, и он возможен благодаря принципу неопределенности Гейзенберга. Постулат, сформулированный немецким физиком Вернером Гейзенбергом в 1927 году, гласит, что мы не можем с одинаковой точностью измерить положение квантовой частицы и ее импульс. Из скучной фразы следует: если мы точно знаем, что автомобиль находится в гараже в точке А, его импульс оказывается неопределенным и может случайно стать достаточно большим для того, чтобы «подтолкнуть» машину на парковку в точку Б.
Так выглядит квантовый компьютер изнутри. Это запчасти машины, созданной компанией D-Wave. Ее первый компьютер содержал 16 кубитов, а более поздняя модель — уже 28. Фото:J CHUNG, © 2006-2007 D-WAVE SYSTEMS, INC. (X4)
Дырявые алмазы и суперсенсоры
Благодаря квантовой механике можно создать приборы, которые невозможны в рамках классической физики. Например, построить компьютеры, которые будут считать в миллионы раз быстрее самых мощных нынешних суперкомпьютеров. Квантовые компьютеры используют странное для людей состояние суперпозиции, которое позволяет совершенно иначе проводить вычисления.
В обычном компьютере информация хранится в виде двоичного кода, который состоит из двух значений — 0 и 1. Каждая цифра кода «лежит» в специальной ячейке памяти, и ее значение называется битом. Таким образом, бит может иметь только два состояния — 0 либо 1. «Квантовый компьютер — это вычислительная система, которая может находиться одновременно во многих состояниях. Благодаря суперпозиции квантовый бит, или кубит, может принимать бесконечное множество значений, а не два, — объясняет Лукин. — Это дает возможность делать вычисления параллельно. Если вы что-то делаете с этим битом, то изменяются сразу и 0, и 1. То есть мы можем одновременно проводить вычисления с начальным состоянием 0 и с начальным состоянием 1».
Пока ученые смогли построить только самые простые квантовые компьютеры, которые содержат от одного до тысячи кубитов. Чаще всего в качестве квантовых битов выступают атомы различных веществ, охлажденные почти до абсолютного нуля (–273,15 °С) — температуры, ниже которой не может остыть ничто во Вселенной. Поэтому даже самый маленький квантовый компьютер занимает целую комнату. Но недавно группе Михаила Лукина удалось создать кубит размером с пылинку. Это алмазный нанокристалл с вкраплениями атомов азота, которые имеют те же характеристики, что и сверххолодные кубиты. Алмазно-азотные кубиты работают при комнатной температуре и могут хранить информацию несколько секунд — для квантовых компьютеров это очень долго.
Пока квантовые компьютеры — это гигантские приборы, но не исключено, что скоро они будут стоять в любом смартфоне.
Термометр для раковой клетки
Пока одни разработчики квантовых компьютеров ломают голову, как удержать квантовые системы в чрезвычайно хрупком состоянии суперпозиции, другие придумали, как использовать эту неустойчивость во благо. Они создают квантовые системы, которые чувствительны к специфическим воздействиям, например к изменениям температуры. Точность подобных систем достигает миллионных долей градуса. Один из прототипов термометра будущего — те самые алмазные кубиты — сконструировали Лукин и его коллеги. Ученые шприцем вводят нанокристаллы в живые клетки и определяют, как сильно прогрелась та или иная их часть. Например, исследователи могут сравнить, насколько правая половина клетки горячее левой.
«Используя алмазные кубиты, мы можем искать в организме раковые клетки, потому что их температура отличается от температуры здоровых клеток. Кроме того, мы сможем в реальном времени следить, как работают те или иные гены, — говорит Лукин. — При этом локально слегка меняется температура, и «засечь» ее другими методами невозможно. Наконец, в чуть более отдаленном будущем при помощи таких нанотермомет ров можно будет определять многие болезни на самых ранних стадиях. В этот момент в клетках уже запустились специфические биохимические реакции, но внешне никаких признаков заболевания нет. Однако место в клетке, где проходят такие реакции, слегка нагревается, и мы сможем это увидеть».
При помощи сверхчувствительных квантовых датчиков можно измерять не только температуру. Квантовые состояния могут реагировать, например, на малейшие изменения давления, электромагнитных полей и прочее. У таких сенсоров будет колоссальная чувствительность к изменениям в окружающей среде, потому что квантовое состояние разрушается от малейших воздействий извне.
Исследования квантовых систем — та область, где специалисты ждут прорывов в ближайшие годы. Фото:PHOTONONSTOP/AFP/EAST NEWS
Батарейка вместо нефти
Владельцам смартфонов приходится искать розетку минимум раз в день. Благодаря достижениям в квантовой механике скоро можно будет уезжать в отпуск и не брать с собой зарядку. «Человеческие системы хранения и передачи энергии в разы уступают тому, что придумала природа, — рассказывает профессор Массачусетского технологического института (MIT), специалист по квантовым алгоритмам Сет Ллойд. — Процессы, которые идут в живых клетках, например фотосинтез, чрезвычайно эффективны, и в них используются примерно те же принципы, которые мы применяем для квантовых вычислений».
Постепенно ученые все лучше понимают квантово-механические процессы и начинают потихоньку разбираться, как именно протекает фотосинтез на этом уровне. Они даже конструируют искусственные системы, которые были бы сравнимы с ним по эффективности. «Моя коллега Анджела Белчер из MIT создает генетически модифицированные вирусы, на поверхности которых «торчат» особые молекулы, похожие на те, что задействованы в фотосинтезе у растений. Белчер и ее коллеги научились закреплять вирусные частицы на подложке так, что в итоге получился прототип чрезвычайно энергоэффективной батарейки, копирующей механизм фотосинтеза. Пока ученые дорабатывают изобретение, но уже нашлась компания, которая создает для Белчер вирусы в промышленном масштабе», — рассказывает Ллойд.
Многие компьютерные игры, например покер, основаны на случайных событиях. Но сегодня играющие с людьми в карты компьютеры жульничают, потому что создают псевдослучайные события, используя специальные алгоритмы. Квантовая механика, благодаря которой можно сделать раздачу карт по-настоящему случайной, наконец превратит механических соперников в честных игроков.
Квантовая телепортация и банковские счета
Пока у нас мало алгоритмов, которые позволили бы создать квантовые компьютеры, работающие намного быстрее классических. Самый перспективный — квантовой алгоритм факторизации Питера Шора, названный по имени создателя, выдающегося математика из США. Используя этот алгоритм, квантовый компьютер из семи кубитов разложил число 15 на множители 3 и 5. «И если нам удастся приспособить алгоритм для работы с большими квантовыми системами, то безопасному Интернету придет конец — квантовый компьютер вскроет любой шифр за секунды», — рисует картину близкого апокалипсиса Сет Ллойд.
Впрочем, взамен мы получим шифрование, разгадать которое невозможно физически. Навсегда защитить человечество от киберворовства поможет квантовая запутанность. Запутанные частицы настолько тесно связаны друг с другом, что мгновенно «чувствуют» изменения, которые происходят с «напарницей», даже если они разнесены на десятки километров.
«Волшебные технологии шифрования, основанные на этом принципе, существуют уже сегодня», — рассказывает Николя Гизен. Компания работает уже несколько лет и при помощи квантового шифрования защищает данные клиентов. Пока рынок небольшой, но у него есть все шансы вырасти — просто потому, что спрос на квантовые, принципиально невскрываемые шифры будет увеличиваться.
Так выглядел первый работающий транзистор, который в 1947 году изобрели в Bell Labs — американской копорации, знаменитой своим исследовательским подразделением. Прародитель современных транзисторов представлял собой пластину из германия, к которой были припаяны два контакта. В 1956 году его создатели получили Нобелевскую премию. Современные транзисторы настолько малы, что на их работу уже влияют законы квантовой механики.
Конец Сноудена и вселенная в триста кубитов
Когда бывший сотрудник американских спецслужб Эдвард Сноуден рассказал, что Агентство национальной безопасности (АНБ) США читает электронную почту доброй половины жителей Земли, многие почувствовали себя неуютно. Но бояться, что суровый лейтенант сейчас изучает именно вашу переписку, не стоит — никакие суперкомпьютеры не могут справиться с тем потоком данных, который сваливается на АНБ каждый день, и как следует рассортировать письма.
Волноваться можно начинать после того, как в дело вступят специалисты по квантовой механике: «Даже маленький квантовый компьютер, состоящий из нескольких десятков кубитов, способен за несколько секунд проверить все сообщения, написанные сегодня, на слово «тротил». Чтобы проанализировать все письма, написанные с момента появления электронной почты, потребуется компьютер из нескольких сотен кубитов. С переводом в квантовое состояние всей информации, которая образовалась во Вселенной с момента Большого взрыва, за доли секунды справится компьютер из трех сотен кубитов», — говорит Ллойд.
При этом благодаря природе квантовых состояний спецслужбы не смогут «вытянуть» из собранных данных персональные сведения пользователей, потому что вернуть данные, записанные в квантовой форме, к привычному виду невозможно. То есть квантовые системы позволят анализировать колоссальные массивы информации, не нарушая тайну переписки.
Решение без проблемы
Пока рынок квантовых технологий не очень велик. Не в последнюю очередь слабый интерес предпринимателей объясняется тем, что они не понимают, в чем же суть квантовых процессов. Некоторые маловеры и вовсе считают, что квантовая механика нужна для решения только очень специфических задач и неприменима к повседневной жизни. Впрочем, когда-то лазеры тоже считались всего лишь хитроумным изобретением, сделанным учеными для ученых. «Это решение, к которому еще нужно придумать проблему», — говорили скептики. Сегодня без лазеров трудно представить обычную жизнь — они работают в оптоволоконных системах, благодаря которым, например, домашний компьютер выходит в Интернет. Так что очень может быть, что лет через 20 отличным подарком внуку окажется телефон, работающий на удивительных принципах квантовой механики.
