«Самые значимые достижения науки»: физик — о квантовых технологиях и об их практическом применении

Квантовая механика 125 лет: почему это не просто теория, а основа будущих технологий

14 декабря 1900 года Макс Планк зачитал доклад о дискретности энергии. Физики тогда не поняли, что это — день рождения квантовой механики. Прошло 125 лет. И теперь без квантовых эффектов не работают ни ваши смартфоны, ни лазеры в супермаркетах, ни будущие квантовые компьютеры. Давайте разберемся, что на самом деле происходит на микроуровне и почему это касается каждого.

Как Планк открыл кванты (сам того не желая)

Планк пытался описать излучение абсолютно черного тела — идеального поглотителя света. Классическая физика давала сбой: формулы говорили, что энергия должна расти до бесконечности (так называемая ультрафиолетовая катастрофа). Планк пошел на хитрость: предположил, что энергия передается порциями — квантами. Идею он считал временной уловкой. Но именно она стала фундаментом. Сегодня это кажется очевидным, но тогда коллеги отнеслись к гипотезе скептически. Сам Планк десятилетиями не верил в атомы — ирония, учитывая, что его имя стоит у истоков атомной физики.

Квантовая механика — это не абстракция. Лазер, транзистор, МРТ — всё это работает благодаря эффектам, которые Планк описал формулами.

Суперпозиция и кубит: монета, которая крутится вечно

Главная странность квантов — суперпозиция. Частица может быть одновременно в двух состояниях. Например, электрон вращается и по часовой, и против часовой стрелки, пока вы его не измерите. Это не магия — это математика. Классический бит — монета лежит орлом или решкой. Кубит — монета в воздухе. Она и орёл, и решка одновременно.

В 1995 году физик Бен Шумахер ввел термин «кубит». Сейчас кубиты реализуют на сверхпроводниках, ионах, фотонах. Российская дорожная карта квантовых вычислений под руководством «Росатома» активно развивает все эти платформы. Зачем? Потому что суперпозиция позволяет квантовым компьютерам перебирать варианты параллельно. Для некоторых задач это ускоряет расчеты в миллионы раз.

Почему это не фантастика: личное наблюдение

Недавно я показывал сыну анимацию кубита — монетка крутится на экране. Он спросил: «Она никогда не упадет?» В том-то и дело: пока не вмешается измерение — нет. Я объяснил, что это не игра, а основа реальной технологии. Квантовые компьютеры уже моделируют молекулы — например, трехвалентные соединения для новых удобрений. Это не теория, это работа.

Квантовая запутанность и телепортация: как это работает

Запутанность — еще один «странный» эффект. Две частицы связываются так, что изменение одной мгновенно меняет другую, даже если они на разных концах галактики. Эйнштейн называл это «призрачным воздействием». Но эксперименты с 2022 года (Нобелевская премия Аспе, Клаузера и Цайлингера) доказали: запутанность реальна. На ней построена квантовая телепортация — не перенос объекта, а перенос состояния.

Пошаговый совет: как работает квантовая телепортация

1. Создаются два запутанных кубита (назовем их A и B).
2. Кубит A отправляется на передатчик, кубит B — на приемник.
3. Передатчик измеряет состояние A и кубита с информацией (X).
4. Результат измерения передается по обычному каналу (световод или интернет).
5. Приемник, зная результат, корректирует состояние B — и оно становится точной копией X.
Информация не передается быстрее света — классический канал на шаге 4 ограничен скоростью света.

Что уже умеют квантовые компьютеры: три типа задач

Квантовый процессор решает только три класса задач, но они недоступны классическим машинам. Сравним:

Сегодня квантовые компьютеры справляются с небольшими версиями этих задач: разложили число 21 на 3 и 7, решили логистическую оптимизацию для нескольких складов. Но главное — они уже моделируют трехватомные молекулы. Это открывает путь к новым катализаторам и лекарствам.

Повседневные технологии из квантовой физики

Вы пользуетесь квантовой механикой каждый день, даже не замечая. Лазеры — прямое следствие теории излучения Эйнштейна (1917). Полупроводники — транзисторы и микрочипы — родились из квантовой теории твердого тела. Без них не было бы ни интернета, ни смартфонов. Квантовые сенсоры уже измеряют магнитные поля мозга (магнитоэнцефалография). В ближайшие 10–20 лет квантовые коммуникации (шифрование на запутанности) появятся в банках и госструктурах.

Резюме от автора. Квантовая механика — не абстрактная физика для избранных. Это инженерный инструмент. 125 лет назад Планк думал, что кванты — временная фикция. Сейчас без них не работает ни один чип. Если вы хотите понимать, куда движутся технологии — тратьте время не на новости, а на основы квантов. Это окупится.