Все началось с кота: как за 100 лет квантовые аномалии стали основой современных технологий

Сто лет назад квантовая механика была радикальной теорией, ставившей в тупик даже самых блестящих ученых. Сегодня она лежит в основе технологий, которые определяют нашу повседневную жизнь: от лазеров и микрочипов до квантовых компьютеров и защищенных систем связи.

В новой обзорной статье, опубликованной в журнале Science, доктор Марлан Скалли, профессор Техасского университета A&M и Принстонского университета, проследил путь квантовой механики от ее странных истоков до роли в решении сложнейших научных задач современности.

«Квантовая механика начиналась как способ объяснить поведение крошечных частиц, — говорит Скалли. — Теперь она движет инновациями, которые были немыслимы еще поколение назад».

Когда Эрвин Шредингер в 1935 году предложил свой знаменитый парадокс с котом, который одновременно жив и мертв до момента наблюдения, это должно было проиллюстрировать странность квантовой теории. «Эта “квантовая странность” больше не просто философская головоломка, — отмечает Скалли. — Она стала фундаментом квантовых вычислений, квантовой криптографии и даже детекторов гравитационных волн».

Именно квантовые принципы стали основой работы лазеров, которые применяются в наши дни все шире в самых разных сферах.Источник: AI/ScienceDaily.com

Одним из самых революционных понятий стала квантовая когерентность — свойство частиц, таких как атомы и фотоны, оставаться связанными и действовать согласованно, даже находясь далеко друг от друга без разрушающего влияния окружающей среды. Этот принцип породил лазер — технологию, которую когда-то считали невозможной. Сегодня лазеры работают повсюду: в сканерах штрих-кодов, при операциях на глазах, в передовых научных исследованиях.

Квантовая когерентность также делает возможной квантовую запутанность — явление, которое Альберт Эйнштейн называл «жутким действием на расстоянии». Запутанность позволяет частицам обмениваться информацией вне зависимости от расстояния между ними и лежит в основе квантового шифрования, а также повышает чувствительность инновационных инструментов — таких как детектор LIGO, который улавливает рябь в пространстве-времени.

Но, пожалуй, самое поразительное применение таких технологий — квантовые тепловые двигатели. Классические двигатели ограничены пределом Карно — максимальной эффективностью, установленной термодинамикой. Однако, используя квантовую когерентность, физики могут создавать двигатели, превосходящие этот предел. «Это яркий пример того, как квантовые принципы могут переписывать правила классической физики», — говорит Скалли.

Квантовая запутанность — одно из самых потрясающих явлений в квантовой физике, согласно которому атомы, хотя бы раз вступавшие во взаимодействие, остаются связанными и взаимодействуют на любом расстоянии.Источник: Earth.com

Квантовая механика проникает и в биологию: методы когерентной рамановской спектроскопии позволяют ученым картировать вирусы на наноуровне. Она меняет и наше понимание космоса: теория струн и квантовая гравитация пытаются объединить квантовую механику с теорией относительности Эйнштейна.

Несмотря на то, что мы уже знаем о ней очень многое, квантовая механика все еще хранит множество тайн. Можно ли квантовать гравитацию? Как квантовые компьютеры изменят медицину и материаловедение? «В начале XX века многие считали, что знают о физике все, — говорит Скалли. — Теперь, в XXI веке, мы знаем: приключение только начинается».