Физика частиц и новейшие технологии: что нас ждет в ближайшие 10 лет?

 

Квантовая теория родилась в первой половине XX века. Среди ее создателей были Нильс Бор, Альберт Эйнштейн, Макс Планк, Вернер Гейзенберг, Эрвин Шредингер и другие, не менее выдающиеся ученые. Создание Стандартной модели элементарных частиц ознаменовало собой революцию в понимании Вселенной. Именно квантовая теория подарила миру лазеры, МРТ, ускорители частиц, компьютеры, интернет и ядерное оружие. Но что дальше?

Некоторые физики полагают, что в ближайшие пять лет будут созданы устройства, которые до недавнего времени описывались лишь на страницах научно-фантастических романов. Дело в том, что любой скачок в области квантовых вычислений увеличивает потенциал технологии, способной выполнять вычисления и моделирование, выходящие за рамки современных суперкомпьютеров. Иными словами, мир готовится к квантовому будущему. И если квантовые технологии действительно изменят вычисления в том виде, в каком мы их знаем, то какое будущее нас ждет?

Основные принципы квантовой теории

Итак, в отличие от классической физики, которая опирается на гравитацию и законы движения Ньютона, квантовые частицы действуют по своим собственным правилам. Например, такое понятие как суперпозиция указывает на способность квантовой системы находиться в нескольких состояниях одновременно.

И хотя звучит немного безумно и напоминает мысленный эксперимент кота Шредингера, частица действительно может находиться в нескольких состояниях сразу, но лишь до того момента, пока ее не измерят.

Следующий принцип называется квантовой запутанностью. Наблюдать ее можно когда два атома связаны между собой, несмотря на то, что их разделяет огромное расстояние. Если свойства одного из атомов изменяются, его запутанный аналог тоже меняется, причем мгновенно. Запутанность присутствует даже тогда, когда атомы расположены на противоположных концах Вселенной.

Суперпозиция и запутанность являются основополагающими принципами квантовой теории. Эти квантовые системы нашли свое повседневное применение, и ученые, наконец, учатся управлять ими и использовать в собственных интересах.

Квантовые вычисления и технологии

Квантовая теория необходима для понимания ядерной структуры, составляющей ядро частицы – протона и нейтрона – которые сильно притягиваются друг к другу ядерными силами, а их столкновение высвобождает ядерную энергию.

Квантовые эффекты также лежат в основе полупроводников и транзисторов, которые привели к настоящей электронной революции и массовому производству классических компьютеров. И если говорить о современных технологиях, основанных на квантовой теории, то они могут быть усовершенствованы.

Так, мы знаем, что информация в обычных компьютерах принимает форму двоичных цифр (битов), которые могут иметь только два состояния: 0 или 1. Суперпозиция квантовых битов (кубитов) позволяет компьютеру хранить и 0 и 1 по отдельности, а также комбинацию обоих значений одновременно – используя суперпозиции этих двух состояний.

На самом деле квантовые вычисления являются самой горячей темой среди физиков и инвесторов, так как обладают невероятным потенциалом с точки зрения скорости и эффективности по сравнению с классическими компьютерами. И все же впереди еще много работы, прежде чем квантовые компьютеры появятся на рынке.

По мнению некоторых исследователей, квантовые компьютеры предоставят нам возможность изучать саму квантовую физику неизвестным до сих пор способом. Его можно будет использовать, например, для моделирования поведения молекул лекарств и разработке новых материалов для более эффективных батарей или источников энергии.

Квантовая телепортация, датчики и связь

Звучит как фантастика, но связь между запутанными парами частиц необходима для успешной квантовой телепортации. Исследователи провели множество экспериментов и к 2017 году им удалось телепортировать фотон с Земли на орбиту. Квантовая телепортация также лежит в основе планов по созданию квантового интернета.

В свою очередь, квантовые датчики могут измерять стимулы, например, магнитные поля или высокочастотные сигналы. Их можно использовать в том числе для выявления рассеянного склероза на ранней стадии; мониторинга и заблаговременного предупреждения о вулканической активности; а также для помощи самоуправляемым транспортным средствам «видеть» что находится за поворотом.



Что же до квантовой коммуникации, то защита данных с использованием законов квантовой физики может использоваться для обмена секретной информацией, используемой для шифрования и аутентификации. Кванты также могут быть использованы для вычислений и решения определенных задач, с решением которых обычные компьютеры не справятся.

Квантовое будущее

Страны по всему миру, включая Китай, Канаду и США, объявили о многомиллионных и миллиардных исследовательских программах по продвижению квантовых технологий и работы в области квантовой информатики. Очевидно, что квантовые информационные технологии окажут мощное влияние на весь мир, но мы только-только начинаем понимать, как будет выглядеть квантовое будущее.

Если квантовые компьютеры станут достаточно большими и будут содержать тысячи или миллионы кубитов, они позволят понять сложные химические реакции и разработать новые лекарства. Это, в свою очередь, приведет к разработке новых материалов и вычислений.

В конечном итоге все эти данные позволят ученым оптимизировать алгоритмы искусственного интеллекта и машинного обучения, кибербезопасности и финансов, а также расшифровке кода, на котором основана безопасность современных систем связи.

Более того, некоторые исследователи полагают, что в течение ближайшего десятилетия мы наконец увидим появление искусственного интеллекта. Интересно и то, что появление квантовых технологий приблизит нас к новому пониманию природы, Вселенной и нас самих.