Многим из нас поначалу может быть сложно понять передовую физику, и это делает ее еще более впечатляющей, когда кто-то получает Нобелевскую премию за дальнейшее развитие этой области. Последними лауреатами Нобелевской премии по физике стали трое учёных — Джон Кларк, Мишель Х. Деворет и Джон М. Мартинис — которые увезли домой премию за новаторские эксперименты в области квантовой механики.
Квантовая физика — это отрасль науки, которая конкретно фокусируется на субатомных частицах и силах. На этом невероятно микроскопическом уровне основные правила физики, которые управляют нашим повседневным опытом, ведут себя совсем по-другому — настолько по-другому, что большая часть квантовой физики все еще остается теоретической и едва ли понимается самыми умными учеными, работающими сегодня. Даже Альберт Эйнштейн позорно боролся с идеями, лежащими в основе квантовой механики, которые включают суперпозицию, детерминизм и запутанность, доходя до того, что называл это совершенно «жутким действием на расстоянии». Одним из широко используемых способов описания базовой квантовой механики является эксперимент с двумя щелями, который показывает, что свет существует и как волна, и как частица одновременно.
Такие квантовые явления по своей сути затрудняют наблюдение результатов экспериментов, тем более что основной компонент этой области заключается в том, что сам акт наблюдения является формой взаимодействия, влияющей на то, над чем экспериментируют. Несмотря на то, что частицы, изучаемые в квантовой механике, невероятно малы, проводить эксперименты и пытаться доказать или опровергнуть теории чрезвычайно сложно. Одна из самых престижных наград в современном обществе принесла Кларку, Деворету и Мартинису эксперименты троицы, которые позволили доказать определенные квантовые принципы способами, наблюдаемыми невооруженным глазом. Это открыло двери для всех видов достижений в этой области.
Ученые получают награду за эксперименты, проведенные более 40 лет назад
Как и в случае со многими лауреатами Нобелевской премии, открытия, которые принесли Кларку, Деворету и Мартинису их похвалы, на самом деле были сделаны десятилетиями ранее. Эксперименты, проведенные в 1984 и 1985 годах, включали наблюдение сверхпроводящей цепи внутри компьютерного чипа, которая, очевидно, довольно маленькая, но определенно гигантская (или «макроскопическая») по сравнению с отдельными частицами, обычно изучаемыми в квантовой механике.
В ходе этих экспериментов были доказаны два квантовых явления — квантование энергетических уровней и квантовое туннелирование. Квантовое туннелирование — это когда частица может пройти через барьер, несмотря на то, что у нее недостаточно энергии для этого, тогда как квантование энергии — это свойство субатомных частиц, которое ограничивает их излучением и поглощением энергии только в фиксированных количествах. С тех пор как эти открытия были сделаны более 40 лет назад, у нас было достаточно времени, чтобы увидеть их реальные последствия и то, какое влияние оказали работы Кларка, Деворета и Мартиниса на нашу жизнь.
Поскольку это влияние было настолько значительным за последние несколько десятилетий, легко обосновать присуждение этой троице Нобелевской премии по физике. По словам Олле Эрикссона, председателя Нобелевского комитета по физике, «сегодня не существует передовой технологии, которая не опиралась бы на квантовую механику», и что эксперименты Кларка, Деворета и Мартиниса привели к разработке оптоволоконных кабелей, мобильных телефонов и других повседневных технологий. Их работа также прокладывает путь к еще более совершенной электронике, которая может еще больше революционизировать современный мир, а именно к квантовым компьютерам, подобным тому, который только что появился только в Нью-Йорке.
Что такое квантовые компьютеры?
Квантовые вычисления могут быть сложны для понимания, как и остальная часть квантовой механики. Очень упрощенная версия — это думать о квантовых компьютерах, использующих квантовую механику, чтобы мыслить быстрее и комплекснее, чем традиционные компьютеры, использующие двоичную систему. Двоичный подход относится к тому факту, что в традиционных компьютерах используются транзисторы, которые могут находиться в одном из двух состояний — включенном или выключенном, либо единице и ноле. Квантовые компьютеры, с другой стороны, заменяют двоичные биты квантовыми частицами, называемыми кубитами, которые — благодаря квантовой механике — могут существовать во всех возможных конфигурациях одновременно.
Фактически, вместо того, чтобы информация представлялась как 1 или 0, она может быть представлена как в обоих случаях одновременно, так и в других состояниях. При вычислении данных эту суперпозицию состояний можно сузить, устранив некоторые из них посредством квантовой интерференции и усилив другие, причем последние являются решениями для вычислений квантовой схемы. Соединение нескольких квантовых компьютеров по всему миру может даже привести к созданию квантового Интернета, который будет быстрее, точнее и безопаснее, чем сегодняшний Интернет.
Эта область информатики и инженерии быстро развивалась за последние несколько лет, а перспективы реальных приложений стали все ближе. Если квантовые вычисления оправдают свою шумиху, они потенциально могут создать дивный новый мир передовых технологий и открытий, непохожий ни на что прежде — аналогично тому влиянию, которое электричество и современные средства связи оказали на мир за последние 150 лет. Работа Джона Кларка, Мишеля Х. Деворе и Джона М. Мартиниса является огромным шагом на пути к этой реальности, и именно поэтому — несмотря на то, что квантовую физику сложно усвоить, — трио, получившее Нобелевскую премию, не представляет никакой сложности.
